Uso sostenibile dei suoli forestali di ambiente costiero in relazione ai fattori di pressione esistenti

Oggetto di studio del dottorato sono stati i suoli forestali in ambiente litoraneo della Regione Emilia-Romagna. In particolare sono state considerate quattro zone di studio in Provincia di Ravenna: Pineta di San Vitale, aree boscate di Bellocchio, Pineta di Classe e Pineta di Pinarella di Cervia. Lo studio in una prima fase si è articolato nella definizione dello stato del sistema suolo, mediante la caratterizzazione pedologica delle zone di studio. A tale scopo è stata messa a punto un’adeguata metodologia d’indagine costituita da un’indagine ambientale e successivamente da un’indagine pedologica. L’indagine ambientale, mediante fotointerpretazione ed elaborazione di livelli informativi in ambito GIS, ha permesso di individuare ambiti pedogenetici omogenei. L’indagine pedologica in campo ha messo in luce l’elevata variabilità spaziale di alcuni fattori della pedogenesi, in particolar modo l’andamento microtopografico tipico dei sistemi dunali costieri e la profondità della falda freatica del piano campagna. Complessivamente sono stati aperti descritti e campionati 40 profili pedologici. Sugli orizzonti diagnostici di questi sono state eseguite le seguenti analisi: tessitura, pH, calcare totale, carbonio organico, azoto kjeldahl, conduttività elettrica (CE), capacità di scambio cationico (CSC) e calcare attivo. I suoli presentano, ad eccezione della tessitura (generalmente grossolana), un’elevata variabilità delle proprietà chimico fisiche in funzione della morfologia, della profondità e della vicinanza della falda freatica. Sono state riscontrate diverse correlazioni, tra le più significative quelle tra carbonio organico e calcare totale (coeff. di correlazione R = -0.805 per Pineta di Classe) e tra calcare totale e pH (R = 0.736), dalle quali si è compreso in che misura l’effetto della decarbonatazione agisce nei diversi ambiti pedogenetici e tra suoli con diversa età di formazione. Il calcare totale varia da 0 a oltre 400 g.kg-1 e aumenta dalla superficie in profondità, dall’entroterra verso la costa e da nord verso sud. Il carbonio organico, estremamente variabile (0.1 - 107 g.kg-1), è concentrato soprattutto nel primo orizzonte superficiale. Il rapporto C/N (>10 in superficie e molto variabile in profondità) evidenzia una efficienza di umificazione non sempre ottimale specialmente negli orizzonti prossimi alla falda freatica. I tipi di suoli presenti, classificati secondo la Soil Taxonomy, sono risultati essere Mollic/Sodic/Typic Psammaquents nelle zone interdunali, Typic Ustipsamments sulle sommità dunali e Oxiaquic/Aquic Ustipsamments negli ambienti morfologici intermedi. Come sintesi della caratterizzazione pedologica sono state prodotte due carte dei suoli, rispettivamente per Pineta di San Vitale (scala 1:20000) e per le aree boscate di Bellocchio (scala 1:10000), rappresentanti la distribuzione dei pedotipi osservati. In una seconda fase si è focalizzata l’attenzione sugli impatti che le principali pressioni naturali ed antropiche, possono esercitare sul suolo, condizionandone la qualità in virtù delle esigenze del soprasuolo forestale. Si è scelta la zona sud di Pineta San Vitale come area campione per monitorarne mensilmente, su quattro siti rappresentativi, le principali caratteristiche chimico-fisiche dei suoli e delle acque di falda, onde evidenziare possibili correlazioni. Le principali determinazioni svolte sia nel suolo in pasta satura che nelle acque di falda hanno riguardato CE, Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Cl-, SO4 2-, HCO3 - e SAR (Sodium Adsorption Ratio). Per ogni sito indagato sono emersi andamenti diversi dei vari parametri lungo i profili, correlabili in diversa misura tra di loro. Si sono osservati forti trend di aumento di CE e degli ioni solubili verso gli orizzonti profondi in profili con acqua di falda più salina (19 – 28 dS.m-1) e profonda (1 – 1.6 m dalla superficie), mentre molto significativi sono apparsi gli accumuli di sali in superficie nei mesi estivi (CE in pasta satura da 17.6 a 28.2 dS.m-1) nei profili con falda a meno di 50 cm dalla superficie. Si è messo successivamente in relazione la CE nel suolo con diversi parametri ambientali più facilmente monitorabili quali profondità e CE di falda, temperatura e precipitazioni, onde trovarne una relazione statistica. Dai dati di tre dei quattro siti monitorati è stato possibile definire tali relazioni con equazioni di regressione lineare a più variabili. Si è cercato poi di estendere l’estrapolabilità della CE del suolo per tutte le altre casistiche possibili di Pineta San Vitale mediante la formulazione di un modello empirico. I dati relativi alla CE nel suolo sia reali che estrapolati dal modello, sono stati messi in relazione con le esigenze di alcune specie forestali presenti nelle zone di studio e con diverso grado di tolleranza alla salinità ed al livello di umidità nel suolo. Da tali confronti è emerso che per alcune specie moderatamente tolleranti la salinità (Pinus pinea, Pinus pinaster e Juniperus communis) le condizioni critiche allo sviluppo e alla sopravvivenza sono da ricondursi, per la maggior parte dei casi, alla falda non abbastanza profonda e non tanto alla salinità che essa trasmette sull’intero profilo del suolo. Per altre specie quali Quercus robur, Populus alba, Fraxinus oxycarpa e Ulmus minor moderatamente sensibili alla salinità, ma abituate a vivere in suoli più umidi, la salinità di una falda troppo prossima alla superficie può ripercuotersi su tutto il profilo e generare condizioni critiche di sviluppo. Nei suoli di Pineta San Vitale sono stati inoltre studiati gli aspetti relativi all’inquinamento da accumulo di alcuni microtossici nei suoli quali Ag, Cd, Ni e Pb. In alcuni punti di rilievo sono stati osservati moderati fattori di arricchimento superficiale per Pb e Cd riconducibili all’attività antropica, mentre le aliquote biodisponibili risultano maggiori in superficie, ma all’interno dei valori medi dei suoli italiani. Lo studio svolto ha permesso di meglio conoscere gli impatti sul suolo, causati dalle principali pressioni esistenti, in un contesto dinamico. In particolare, si è constatato come i suoli delle zone studiate abbiano un effetto tampone piuttosto ridotto sulla mitigazione degli effetti indotti dalle pressioni esterne prese in esame (salinizzazione, sodicizzazione e innalzamento della falda freatica). Questo è dovuto principalmente alla ridotta presenza di scambiatori sulla matrice solida atti a mantenere un equilibrio dinamico con le frazioni solubili. Infine le variabili ambientali considerate sono state inserite in un modello concettuale DPSIR (Driving forces, Pressures, States, Impacts, Responces) dove sono stati prospettati, in via qualitativa, alcuni scenari in funzione di possibili risposte gestionali verosimilmente attuabili, al fine di modificare le pressioni che insistono sul sistema suolo-vegetazione delle pinete ravennati.

Salt stress responses in pear and quince: physiological and molecular aspects

The productivity of agricultural crops is seriously limited by salinity. This problem is rapidly increasing, particularly in irrigated lands. Like almost all the fruit tree species, Pyrus communis is generally considered a salt sensitive species, but only little information is available on its behavior under saline conditions. Previous studies, carried out in the Department of Fruit Tree and Woody Plant Science (University of Bologna), focused their attention on pear and quince salt stress responses to understand which rootstock would be the most suitable for pear in order to tolerate a salt stress condition. It has been reported that pear and quince have different ability in the uptake, translocation and accumulation of chloride (Cl-) and sodium (Na+) ions, when plants were irrigated for one season with saline water (5 dS/m). The aim of the present work was to deepen these aspects and investigate salt stress responses in pear and quince. Two different experiments have been performed: a “short-term” trial in a growth chamber and a “long-term” experiment in the open field. In the short-term experiment, three different genotypes usually adopted as pear rootstocks (MC, BA29 and Farold®40) and the pear variety Abbé Fétel own rooted have been compared under salt stress conditions. The trial was performed in a hydroponic culture system, applying a 90 mM NaCl stress to half of the plants, after five weeks of normal growth in Hoagland’s solution. During the three-weeks of salt stress treatment, physiological, mineral and molecular analyses were performed in order to monitor, for each genotype, the development of the salt stress responses in comparison with the corresponding “unstressed” plants. Farold®40 and Abbé Fétel own rooted showed the onset of leaf necrosis, due to salt toxicity, one week before quinces. Moreover, quinces displayed a significant delay in premature senescence of old leaves, while pears emerged for their ability to regenerate new leaves from apparently dead foliage with the salt stress still running. Physiological measurements, such as shoots length, chlorophyll (Chl) content, and photosynthesis, have been carried out and revealed that pears exhibited a significant reduction in water content and a wilting aspect, while for quinces a decrease in Chl content and a growth slowdown were observed. At the end of the trial, all plants were collected and organs separated for dry weight estimation and mineral analyses (Cu, Fe, Mn, Zn Mg, Ca, K, Na and Cl). Mineral contents have been affected by salinity; same macro/micro nutrients were altered in some organs or relocated within the plant. This plant response could have partially contributed to face the salt stress. Leaves and roots have been harvested for molecular analyses at four different times during stress conditions. Molecular analyses consisted of the gene expression study of three main ion transporters, well known in Arabidopsis thaliana as salt-tolerance determinants in the “SOS” pathway: NHX1 (tonoplast Na+/H+ antiporter), SOS1 (plasmalemma Na+/H+ antiporter) and HKT1 (K+ high-affinity and Na+ low-affinity transporter). These studies showed that two quince rootstocks adopted different responsive mechanisms to NaCl stress. BA29 increased its Na+ sequestration activity into leaf vacuoles, while MC enhanced temporarily the same ability, but in roots. Farold®40, instead, exhibited increases in SOS1 and HKT1 expression mainly at leaf level in the attempt to retrieve Na+ from xylem, while Abbé Fétel differently altered the expression of these genes in roots. Finally, each genotype showed a peculiar response to salt stress that was the sum of its ability in Na+ exclusion, osmotic tolerance and tissue tolerance. In the long-term experiment, potted trees of the pear variety Abbé Fétel grafted on different rootstocks (MC, BA29 and Farold®40), or own rooted and also rootstocks only were subjected to a salt stress through saline water irrigation with an electrical conductivity of 5 dS/m for two years. The purposes of this study were to evaluate salinity effects on physiological (shoot length, number of buds, photosynthesis, etc.) and yield parameters of cultivar Abbé Fétel in the different combinations and to determine the salt amount that pear is able to tolerate over the years. With this work, we confirmed the previous hypothesis that pear, despite being classified as a salt-sensitive fruit tree, can be cultivated for two years under saline water irrigation, without showing any salt toxicity symptoms or severe drawbacks on plant development and production. Among different combinations, Abbé Fétel grafted on MC resulted interesting for its peculiar behaviors under salt stress conditions. In the near future, further investigations on physiological and molecular aspects will be necessary to enrich and broaden the knowledge of salt stress responses in pear.

L'Oikeiosis degli Stoici: Una lettura evolutiva

La ‘dottrina stoica dell’oikeiosis’ viene comunemente rappresentata come una teoria unitaria – una dottrina, appunto – che farebbe derivare l’oikeiosis sociale (in latino, communis hominum inter homines commendatio) da quella riflessiva o personale. Tale derivazione solleva però numerosi interrogativi e sarà fatta oggetto di una valutazione critica nella seconda parte del presente lavoro (corrisponde ai capitoli secondo e terzo). Nel primo capitolo, in mancanza di una definizione concettuale di oikeiosis, cercheremo di stabilire il significato dell’espressione complessa oikeiosis pros heautó. Si noti che il termine ‘oikeiosis’ non è un neologismo stoico; gli Stoici, però, nell’adottarlo come termine tecnico, ne modificano la sintassi e quindi il significato. Per apprezzare la portata di tale cambiamento è necessario procedere a un esame preliminare delle occorrenze non filosofiche più significative, sia del nome ‘oikeiosis’ sia della forma verbale corrispondente.

Algal wastewater treatment and biomass producing potential: nutrient removal efficiency and cell physiological responses

Microalgae are sun - light cell factories that convert carbon dioxide to biofuels, foods, feeds, and other bioproducts. The concept of microalgae cultivation as an integrated system in wastewater treatment has optimized the potential of the microalgae - based biofuel production. These microorganisms contains lipids, polysaccharides, proteins, pigments and other cell compounds, and their biomass can provide different kinds of biofuels such as biodiesel, biomethane and ethanol. The algal biomass application strongly depends on the cell composition and the production of biofuels appears to be economically convenient only in conjunction with wastewater treatment. The aim of this research thesis was to investigate a biological wastewater system on a laboratory scale growing a newly isolated freshwater microalgae, Desmodesmus communis, in effluents generated by a local wastewater reclamation facility in Cesena (Emilia Romagna, Italy) in batch and semi - continuous cultures. This work showed the potential utilization of this microorganism in an algae - based wastewater treatment; Desmodesmus communis had a great capacity to grow in the wastewater, competing with other microorganisms naturally present and adapting to various environmental conditions such as different irradiance levels and nutrient concentrations. The nutrient removal efficiency was characterized at different hydraulic retention times as well as the algal growth rate and biomass composition in terms of proteins, polysaccharides, total lipids and total fatty acids (TFAs) which are considered the substrate for biodiesel production. The biochemical analyses were coupled with the biomass elemental analysis which specified the amount of carbon and nitrogen in the algal biomass. Furthermore photosynthetic investigations were carried out to better correlate the environmental conditions with the physiology responses of the cells and consequently get more information to optimize the growth rate and the increase of TFAs and C/N ratio, cellular compounds and biomass parameter which are fundamental in the biomass energy recovery.

La vegetazione e gli habitat del SIC "IT4080008 Balze di Verghereto, Monte Fumaiolo, Ripa della Moia" (provincia di Forlì-Cesena)

Scopo della tesi è la realizzazione di rilievi fitosociologici nel SIC “IT4080008 Balze di Verghereto, Monte Fumaiolo, Ripa della Moia” (provincia di Forlì-Cesena). Il gruppo montuoso del Monte Fumaiolo, posto al confine tra le Vallate del Savio e del Tevere, è stato proposto nel 1995 come Sito di Importanza Comunitaria. E' un'area colonizzata già nell'antichità dall'uomo e comprende una grande estensione di pascoli montani, con rupi calcaree e rilievi comprendenti faggete, abetine artificiali, rimboschimenti e prati pascoli. Nell'ambito di una ricerca sulla distribuzione degli habitat di maggior pregio in questo sito sono stati realizzati campionamenti, basati sul metodo Braun Blanquet, nel periodo tra Lunglio e Settembre 2013. I dati raccolti sono stati successivamente elaborati tramite software Matlab versione 7.10.0.282 creando due dendrogrammi allo scopo di descrivere sia la qualità naturale del SIC, sia dal punto di vista degli habitat. Dalle informazioni raccolte è stata possibile la definizione di due tipologie di vegetazione: le formazioni forestali e gli ambienti aperti. I risultati mostrano 57 rilievi inerenti ai boschi divisi in ulteriori sottogruppi rappresentanti boschi a faggio, situazioni miste con Fagus sylvatica e Abies alba, querceti misti e rimboschimenti a Pinus nigra. I 27 rilievi degli ambienti aperti mostrano invece una predominanza di prati-pascolo e pascoli con situazioni di evoluzione ad arbusteti a Cytisus scoparius e Juniperus communis. Sono state campionate anche le vegetazioni a succulente presenti su affioramenti rocciosi. Le informazioni ottenute ed elaborate possono essere utili per studi futuri e per la creazione di una carta fitosociologica sulla base dei rilievi effettuati e della pregressa carta della vegetazione su base fisionomica (Barlotti 2013).

Physiological studies to optimize algal biomass production in phytoremediation processes

Nowadays microalgae are studied, and a number of species already mass-cultivated, for their application in many fields: food and feed, chemicals, pharmaceutical, phytoremediation and renewable energy. Phytoremediation, in particular, can become a valid integrated process in many algae biomass production systems. This thesis is focused on the physiological and biochemical effects of different environmental factors, mainly macronutrients, lights and temperature on microalgae. Microalgal species have been selected on the basis of their potential in biotechnologies, and nitrogen occurs in all chapters due to its importance in physiological and applicative fields. There are 5 chapters, ready or in preparation to be submitted, with different specific matters: (i) to measure the kinetic parameters and the nutrient removal efficiencies for a selected and local strain of microalgae; (ii) to study the biochemical pathways of the microalga D. communis in presence of nitrate and ammonium; (iii) to improve the growth and the removal efficiency of a specific green microalga in mixotrophic conditions; (iv) to optimize the productivity of some microalgae with low growth-rate conditions through phytohormones and other biostimulants; and (v) to apply the phyto-removal of ammonium in an effluent from anaerobic digestion. From the results it is possible to understand how a physiological point of view is necessary to provide and optimize already existing biotechnologies and applications with microalgae.

Pirolisi catalitica di microalghe con zeoliti

L’aumento delle concentrazioni del diossido di carbonio in atmosfera dovuto alla combustione dei combustibili fossili è una fonte di grande preoccupazione a causa del suo impatto sul clima globale. La biomassa è l’unica fonte rinnovabile a poter essere convertita in combustibili e, tra i metodi di conversione, la pirolisi produce un liquido (bio-olio) che presenta potenzialità come combustibile. Le alghe sono una biomassa di interesse, ma il bio-olio che si ottiene è caratterizzato da composti contenenti ossigeno, zolfo e azoto che ne riducono la qualità. Tali elementi possono essere eliminati attraverso la scissione (cracking) con zeoliti con la produzione di idrocarburi. L’obiettivo dello studio è stato quello di valutare le caratteristiche del cracking catalitico di tre microalghe: Arthrospira platensis, Botryococcus braunii e Desmodesmus communis per la produzione di idrocarburi. Le biomasse sono state pirolizzate a 500 °C e i vapori prodotti termicamente sono stati fatti passare nella zeolite dove subiscono il cracking. Sono state utilizzate due zeolite a diversa acidità: un pellet H-ZSM5 (SiO2/Al2O3=38) e un monolite a base di HZSM5 (SiO2/Al2O3=80) e sepiolite. Dal cracking si ottengono sei frazioni pirolitiche: char, coke, fase acquosa, bio-olio, frazione volatile e gas non condensabili. Le frazioni sono state caratterizzate tramite analisi elementari e molecolari e dai dati ottenuti sono stati calcolati i bilanci di N, C e del potere calorifico. Per tutte le alghe si ottiene un bio-olio con un elevato contenuto di carbonio e fortemente deossigenato, ma le rese sono relativamente basse. I prodotti che contengono una maggior frazione del carbonio della biomassa iniziale sono il char ed il coke, seguiti dalla fase organica e dai gas. La distribuzione dell’azoto è simile ma con una maggiore frazione nella fase acquosa. Entrambi i catalizzatori agiscono migliorando la qualità del bio-olio tramite la riduzione dei composti azotati ed ossigenati e formando idrocarburi monoaromatici, tipici delle benzine, e poliaromatici. Il monolite, con zeolite meno acida, produce una maggior frazione di bio-olio caratterizzato, però, da una minor percentuale di composti aromatici. Si ritiene che l’aumento delle rese del bio-olio e la valorizzazione dei sottoprodotti (biochar, fase acquosa) siano indispensabili per la sostenibilità del processo.

Species-specific stomatal response of trees to drought - a link to vegetation dynamics?

Question: Is stomatal regulation specific for climate and tree species, and does it reveal species-specific responses to drought? Is there a link to vegetation dynamics? Location: Dry inner alpine valley, Switzerland Methods: Stomatal aperture (θE) of Pinus sylvestris, Quercus pubescens, Juniperus communis and Picea abies were continuously estimated by the ratio of measured branch sap flow rates to potential transpiration rates (adapted Penman-Monteith single leaf approach) at 10-min intervals over four seasons. Results: θE proved to be specific for climate and species and revealed distinctly different drought responses: Pinus stomata close disproportionately more than neighbouring species under dry conditions, but has a higher θE than the other species when weather was relatively wet and cool. Quercus keeps stomata more open under drought stress but has a lower θE under humid conditions. Juniperus was most drought-tolerant, whereas Picea stomata close almost completely during summer. Conclusions: The distinct microclimatic preferences of the four tree species in terms of θE strongly suggest that climate (change) is altering tree physiological performances and thus species-specific competitiveness. Picea and Pinus currently live at the physiological limit of their ability to withstand increasing temperature and drought intensities at the sites investigated, whereas Quercus and Juniperus perform distinctly better. This corresponds, at least partially, with regional vegetation dynamics: Pinus has strongly declined, whereas Quercus has significantly increased in abundance in the past 30 years. We conclude that θE provides an indication of a species' ability to cope with current and predicted climate.

Diversity and faunal composition of benthic foraminifera in Hole 44-390A on the Blake Nose Plateau

Benthic foraminiferal assemblages are a widespread tool to understand changes in organic matter flux and bottom-water oxygenation and their relation to paleoceanographic changes in the Upper Cretaceous oceans. In this study, assemblage data (diversity, total number, and number per species and gram) from Deep Sea Drilling Project (DSDP) Site 390 (Blake Nose, western North Atlantic) were processed for the lower Maastrichtian (Globotruncana falsostuarti - Gansserina gansseri Planktic Foraminiferal Zone). These data document significant changes in nutrient flux to the sea floor as well as bottom-water oxygenation during this time interval. Parallel to the observed changes in the benthic foraminiferal assemblages the number of inoceramid shells decreases, reflecting also a significant increase in bottom-water oxygenation. We speculate, that these data could reflect the onset of a shift from warmer low-latitude to cooler high-latitude deep-water sources. This speculation will predate the major reorganization of the oceanic circulation resulting in a circulation mode similar to today at the Early/Late Maastrichtian boundary by ~1 Ma and therefore improves our understanding of Late Cretaceous paleoceanography.

Pollen and macroremains from sediment core Aschenhütte

The Upper Pleistocene sediments of the Aschenhütte sink-hole (west of Herzberg am Harz, Lower Saxony) enable one to make interesting correlations between palynological and geological results. The sequence is composed of limnic-telmatic deposits (Eemain to Lower Weichselian) and loess with paleosoils (Weichselian). Sedimentation started during the hornbeam-dominated phase of the Eemian interglacial period and continued throughout the Eemian, the Weichselian Brörup interstadial (sensu Andersen) and parts of the preceding and the following stadial phases, the Herning and the Rederstall stadials. As opposed to most of the known Eemian sites spruce was a major tree species during the hornbeam-dominated phase of the Eemian. The vegetational development during the interstadial phase does not show a period of climatic deterioration as is the case for the Brörup interstadial when considering regions with a more demanding vegetation or regions close to the natural boundaries of the tree species concerned. Pollen or seeds of Bruckenthalia and Picea omoricoides have not been found in the Aschenhütte cores. The limnic-telmatic sediments interlock with loess-paleosoils (Eemian soil and Lower Weichselian bleaching soils) at the lake shore. They are overlaid by loess paleosoils of the Stillfried-B interstadial (Hattorf soil and Lohne soil). Lake level fluctuations were determined by means of the facies distribution and isochrones as defined by pollen analysis. A relatively high stand of the lake level existed after the end of the Eemian interglacial and during the Brörup interstadial periods. In the course of the Herning stadial period the water level dropped, whereas during the Rederstall stadial phase the lake basin was covered by sediments and therefore dried up.