Temporal and spatial variability in nitrogen uptake kinetics during harmful dinoflagellate blooms in the East China Sea

Temporal and spatial variability in the kinetic parameters of uptake of nitrate (NO3-), ammonium (NH4+), urea, and glycine was measured during dinoflagellate blooms in Changjiang River estuary and East China Sea coast, 2005. Karenia mikimotoi was the dominant species in the early stage of the blooms and was succeeded by Prorocentrum donghaiense. The uptake of nitrogen (N) was determined using N-15 tracer techniques. The results of comparison kinetic parameters with ambient nutrients confirmed that different N forms were preferentially taken up during different stages of the bloom. NO3- (V-max 0.044 h(-1); K-s 60.8 mu M-N) was an important N source before it was depleted. NH4+ (V-max 0.049 h(-1); K-s 2.15 mu M-N) was generally the preferred N. Between the 2 organic N sources, urea was more preferred when K. mikimotoi dominated the bloom (V-max 0.020 h(-1); K-s 1.35 mu M-N) and glycine, considered as a dominant amino acid, was more preferred when P. donghaiense dominated the bloom (V-max 0.025 h(-1); K-s 1.76 mu M-N). The change of N uptake preference by the bloom-forming algae was also related to the variation in ambient N concentrations. Published by Elsevier B.V.

The effect of the causative algae of large-scale HAB in the East China Sea on egg hatching of Argopecten irradians, and population growth of Brachionus plicatilis and Moina mongolica

The impacts of Prorocentrum donghaiense Lu and Alexandrium catenella Balech, causative species of the large-scale HAB in the East China Sea, were studied under laboratory conditions. According to bloom densities, the effects of monoculture and mixture of the two species were examined on the egg-hatching success of Argopecten irradians Lamarck, and the population growth of Brachionus plicatilis Muller and Moina mongolica Daday. The results showed that monoculture of A. catenella had a significant inhibition on the egg hatching success of A. irradians, and the population growth of B. plicatilis and M. mongolica. The median effective densities ( EDSo) inhibiting the egg hatching success of A. irradians for 24 h and the population growth of B. plicatilis and M. mongolica for 96 h were 800, 630, and 2 400 cells/cm(3), respectively. Monoculture of P. donghaiense has no such inhibitory effect on the egg hatching success of A. irradians; P. donghaiense at lower suitable densities could sustain the population growth of B. plicatilis (1 x 10(4) similar to 3 x 10(4)cells/cm(3)) and M. mongolica (2 x 10(4) similar to 5 x 10(4) cells/cm(3)); P. doaghaiense at higher densities had significantly adverse effect on the population growth of B. plicatilis (4 x 10(4) similar to 10 x 10(4) cells/cm(3)) and M. mongolica (10 x 10(4) cells/cm(3)). When the two algae were mixed according to bloom densities, P. donghaiense at suitable densities to some extent could decrease the toxicity of A. catenella to B. plicatilis and M. mongolica. The results indicated that the large-scale HAB in the East China Sea could have adverse effect on zooplankton, and might further influence the marine ecosystem, especially when there was also Alexandrium bloom.

Three dimensional fluorescence excitation-emission on matrix spectrum of dissolved organic substance in marine microalgaes growth process

The three-dimensional fluorescence spectrum was used to detect the changes in dissolved organic substances from the cultured Skeletonema costatum, Alexandrium tamarense, Alexandrium mimutum, Scrippsiella trochodea, Prorocentrum donghaiense and Prorocentrum micans. The result indicates that all of the microalgaes can produce FDOM in the growth courses. Diatom such as Skeletonema costatum can produce humic-like FDOM. However dinoflagellate can produce protein-like FDOM at exponential growth phase. When the algae grows into decadency phase, the intensity of humic-like and protein-like fluorescence augments rapidly, which may be due to a mass of FDOM realeased by the old or dead cell fragmentation and the degradation of bacteria by using non-FDOM. The fluorescent intensity of Alexandrium tamarense, Alexandrium mimutum, Prorocentrum donghaiense and Prorocentrum micans can reduce at anaphase of decadency phase because of the degradation of bacteria and light. The same genus of algae can produce similar FDOM, for example: Alexandrium tamarense, and Alexandrium mimutum, Prorocentrum donghaiense and Prorocentrum micans, but the positions of the fluorescence peaks are different.

Changes in marine dinoflagellate and diatom abundance under climate change

Marine diatoms and dinoflagellates play a variety of key ecosystem roles as important primary producers (diatoms and some dinoflagellates) and grazers (some dinoflagellates). Additionally some are harmful algal bloom (HAB) species and there is widespread concern that HAB species may be increasing accompanied by major negative socio-economic impacts, including threats to human health and marine harvesting1, 2. Using 92,263 samples from the Continuous Plankton Recorder survey, we generated a 50-year (1960–2009) time series of diatom and dinoflagellate occurrence in the northeast Atlantic and North Sea. Dinoflagellates, including both HAB taxa (for example, Prorocentrum spp.) and non-HAB taxa (for example, Ceratium furca), have declined in abundance, particularly since 2006. In contrast, diatom abundance has not shown this decline with some common diatoms, including both HAB (for example, Pseudo-nitzschia spp.) and non-HAB (for example, Thalassiosira spp.) taxa, increasing in abundance. Overall these changes have led to a marked increase in the relative abundance of diatoms versus dinoflagellates. Our analyses, including Granger tests to identify criteria of causality, indicate that this switch is driven by an interaction effect of both increasing sea surface temperatures combined with increasingly windy conditions in summer.

Vulnerability of coastal ecosystems to changes in harmful algal bloom distribution in response to climate change: projections based on model analysis

Harmful algal blooms (HABs), those proliferations of algae that can cause fish kills, contaminate seafood with toxins, form unsightly scums, or detrimentally alter ecosystem function have been increasing in frequency, magnitude, and duration worldwide. Here, using a global modeling approach, we show, for three regions of the globe, the potential effects of nutrient loading and climate change for two HAB genera, pelagic Prorocentrum and Karenia, each with differing physiological characteristics for growth. The projections (end of century, 2090-2100) are based on climate change resulting from the A1B scenario of the Intergovernmental Panel on Climate Change Institut Pierre Simon Laplace Climate Model (IPCC, IPSL-CM4), applied in a coupled oceanographic-biogeochemical model, combined with a suite of assumed physiological 'rules' for genera-specific bloom development. Based on these models, an expansion in area and/or number of months annually conducive to development of these HABs along the NW European Shelf-Baltic Sea system and NE Asia was projected for both HAB genera, but no expansion (Prorocentrum spp.), or actual contraction in area and months conducive for blooms (Karenia spp.), was projected in the SE Asian domain. The implications of these projections, especially for Northern Europe, are shifts in vulnerability of coastal systems to HAB events, increased regional HAB impacts to aquaculture, increased risks to human health and ecosystems, and economic consequences of these events due to losses to fisheries and ecosystem services.

Changes in marine dinoflagellate and diatom abundance under climate change

Marine diatoms and dinoflagellates play a variety of key ecosystem roles as important primary producers (diatoms and some dinoflagellates) and grazers (some dinoflagellates). Additionally some are harmful algal bloom (HAB) species and there is widespread concern that HAB species may be increasing accompanied by major negative socio-economic impacts, including threats to human health and marine harvesting1, 2. Using 92,263 samples from the Continuous Plankton Recorder survey, we generated a 50-year (1960–2009) time series of diatom and dinoflagellate occurrence in the northeast Atlantic and North Sea. Dinoflagellates, including both HAB taxa (for example, Prorocentrum spp.) and non-HAB taxa (for example, Ceratium furca), have declined in abundance, particularly since 2006. In contrast, diatom abundance has not shown this decline with some common diatoms, including both HAB (for example, Pseudo-nitzschia spp.) and non-HAB (for example, Thalassiosira spp.) taxa, increasing in abundance. Overall these changes have led to a marked increase in the relative abundance of diatoms versus dinoflagellates. Our analyses, including Granger tests to identify criteria of causality, indicate that this switch is driven by an interaction effect of both increasing sea surface temperatures combined with increasingly windy conditions in summer.

Effetto dell'erbicida Terbutilazina sulla crescita di flagellate marine in coltura

Il fitoplancton è costituito da organismi molto importanti per l'ambiente marino e molto diversificati sia dal punto di vista morfologico che fisiologico.Questi organismi sono normalmente soggetti ai cambiamenti stagionali e alle variazioni dell'ambiente dovute sia a fenomeni naturali che all'impatto antropico, sempre più rilevante. Con questa tesi si è voluto approfondire l'effetto di erbicidi comunemente usati dall'uomo in agricoltura su delle microalghe flagellate rappresentative del Mar Adriatico. L'inquinante scelto è la Terbutilazina, sostanza utilizzata per il diserbo del mais e diffusa in tutta l'area padano-venera, come dimostrano i dati dei campionamenti ARPA, che riportano la presenza di Terbutilazina e del suo prodotto di degradazione Desetil-Terbutilazina a concentrazioni superiori al limite fissato sia nelle acque superficiali che in quelle sotterranee. Anche in mare come riportato in letteratura (Carafa et. al 2009)è stato riscontrato a concentrazioni superiori al limite previsto dalla normativa vigente in Italia. In particolare il meccanismo d'azione di questo erbicida interferisce con la fotosintesi, agendo sulle proteine di membrana dei cloroplasti, rimpiazzando il chinone accettore di elettroni QB della proteina D1 del fotosistema II. Più specie di microalghe fatte crescere in colture 'batch' sono state testate a diverse concentrazioni di erbicida in condizione di luce nutrienti costanti. Questi esperimenti sono stati inoltre condotti a due diverse temperature (20 e 25°C) per studiare l'effetto di questo inquinante in correlazione con l'attuale aumento di temperatura in atto nel pianeta. In una prima fase di screening è stato valutato l'effetto della Terbutilazina su 9 specie di flagellate rappresentative dell'Adriatico, tramite misure dell'efficienza fotosintetica. Grazie a questa prima fase sono state individuate le microalghe e le relative concentrazioni di Terbutilazina da utilizzare negli esperimenti. Per gli esperimenti, sono state scelte le due specie algali Gonyaulax spinifera e Prorocentrum minimum sulle quali si è approfondito lo studio dell'effetto dell'inquinante alle due temperature, attraverso una serie di analisi volte ad individuare le risposte in termini di crescita e di fisiologia delle alghe quali: conteggio delle cellule, torbidità, efficienza fotosintetica, consumo di nutrienti, quantità di clorofilla e di polisaccaridi extracellulari prodotti. La scelta di queste microalghe è stata dettata dal fatto che Gonyaulax spinifera si è rivelata la microalga più sensibile a concentrazioni di erbicida più vicine a quelle ambientali fra tutte le alghe valutate, mentre Prorocentrum minimum è fra le dinoflagellate più frequenti e rappresentative del Mar Adriatico (Aubry et al. 2004), anche se non particolarmente sensibile; infatti P. minimum è stato testato ad una concentrazione di erbicida maggiore rispetto a quelle normalmente ritrovate in ambiente marino. Dai risultati riportati nella tesi si è visto come l'erbicida Terbutilazina sia in grado di influenzare la crescita e la fotosintesi di microalghe flagellate dell'Adriatico anche a concentrazioni pari a quelle rilevate in ambiente, e si è evidenziato che gli effetti sono maggiori alle temperature in cui le microalghe hanno una crescita meno efficiente. Questi studi hanno messo in evidenza anche l'utilità delle misure di fotosintesi tramite fluorimetro PAM nel valutare le risposte delle microalghe agli erbicidi triazinici. Inoltre la diversa risposta delle microalghe osservata, potrebbe avere conseguenze rilevanti sulle fioriture estive di fitoplancton in caso di presenza in mare di Terbutilazina, anche a concentrazioni non particolarmente elevate. Questo lavoro si inserisce in un contesto più ampio di ricerca volto alla modellizzazione della crescita algale in presenza di inquinanti ed in concomitanza con le variazioni di temperatura. Infatti i dati ottenuti insieme a misure di carbonio cellulare, non ancora effettuate, saranno utili per la messa a punto di nuove parametrizzazioni che si avvicinino maggiormente ai dati reali, per poi simulare i possibili scenari futuri variando le condizioni ambientali e le concentrazioni dell'inquinante studiato.

Individuazione dei valori ottimali di crescita di dinoflagellate bentoniche, valutazione della tossicità e di interazioni allopatiche.

Individuazione dei valori ottimali di crescita di dinoflagellate bentoniche, valutazione della tossicità e di interazioni allelopatiche. Il fitoplancton rappresenta la base della catena trofica in ambiente marino, nonché oltre la metà  della produzione primaria a livello mondiale. Le dinoflagellate, assieme alle diatomee, costituiscono la maggior parte del fitoplancton, comprendendo numerose e diversificate specie di microalghe dalla differente distribuzione, ecologia e fisiologia. Alcune specie appartenenti a tale gruppo sono in grado di dare luogo, in determinate condizioni, a estesi fenomeni di fioriture algali, che diventano particolarmente impattanti se le specie coinvolte sono responsabili della produzione di biotossine, le quali possono direttamente uccidere altri organismi o accumularsi nei loro tessuti. Gli effetti nocivi di questi fenomeni si ripercuotono pesantemente sull'ecosistema marino, con ingenti morie di organismi acquatici (da pesci a molluschi, dal bentos al necton) e profonde alterazioni nelle comunità specifiche. Un forte coinvolgimento si ha di conseguenza anche per le attività umane, in seguito a forti esternalità negative su pesca, turismo, attività ricreative, o spesso con rischi direttamente correlati alla salute umana, dovuti perlopiù ad ingestione di organismi contaminati o all'inalazione di tossine per via aerea. Negli ultimi anni le fioriture algali tossiche si sono fortemente intensificate in distribuzione, estensione e frequenza, attirando l'interesse globale della comunità scientifica. Diversi studi condotti in questo senso hanno portato all'identificazione di numerose specie di dinoflagellate tossiche e all'isolamento di una lunga serie di composti chimici con effetti dannosi da esse sintetizzate. Tuttavia si conosce ancora ben poco sull'ecologia di queste specie, in particolare su quali siano i fattori che possano indurre o regolare la proliferazione e lo sviluppo di un bloom algale. Questo studio si è focalizzato su due specie di dinoflagellate bentoniche tossiche, Ostreopsis ovata e Coolia monotis, entrambe appartenenti alla famiglia Ostreopsidaceae, note già da tempo nei paesi tropicali poiché associate alla sindrome da ciguatera. Negli ultimi anni, Ostreopsis ovata è stata oggetto di numerose ricerche in Europa, poiché ha dato luogo a fenomeni di bloom, collegati con danni respiratori nell'uomo, anche lungo i litorali italiani; soltanto recentemente grazie ad una tecnica analitica basata sulla combinazione di cromatografia liquida e spettrometria di massa (LC-MS), è stato possibile isolare la diverse tossine responsabili. Durante i vari monitoraggi e campionamenti delle acque, questa dinoflagellata è stata sempre riscontrata in presenza di Coolia monotis (e Prorocentrum lima), di cui invece si conosce ben poco, visto che la sua tossicità in Mediterraneo non è ancora stata dimostrata, né la sua tossina caratterizzata. Il primo step di questo studio è stato quello di valutare, attraverso il mantenimento di colture in vitro, l'importanza della temperatura nella crescita di O. ovata e C. monotis (singolarmente) provenienti dalla zona del monte Conero (Ancona, Marche). Esistono già studi di questo tipo su ceppi adriatici di O. ovata, tuttavia è stato effettuato un esperimento similare utilizzando un nuovo ceppo, isolato in anni recenti; per C. monotis invece non sono presenti molti studi in letteratura, in particolare nessuno riguardante ceppi italiani. La valutazione della crescita è stata effettuata attraverso conteggio delle cellule, misura dell'efficienza fotosintetica e consumo dei macronutrienti. Quindi, visto che le due specie vivono in associazione nell'ambiente marino, si è cercato di evidenziare l'instaurarsi di eventuali processi competitivi o di fenomeni di allelopatia. Dall'analisi dei risultati è emerso che, se coltivate individualmente, sia C. monotis che O. ovata mostrano un optimum di crescita alla temperatura di 20°C, con tasso di crescita, numero di cellule e rendimento fotosintetico raggiunti più elevati, seppure non di molto rispetto alle colture a 25°C. Le colture a 30°C al contrario hanno mostrato valori sensibilmente inferiori. Se fatte crescere assieme, invece, C. monotis mantiene lo stesso pattern riscontrato nella monoculture a 20 e 25°C, seppur raggiungendo numeri di cellule inferiori, mentre a 30°C ha una crescita bassissima. Al contrario, O. ovata alla temperatura più elevata raggiunge lo stesso numero di cellule della monocultura, alla temperatura intermedia registra il tasso di crescita, ma non il numero di cellule, più elevato, mentre alla temperatura più bassa (che era l'optimum per la monocultura) si ha il maggior stress per la specie, evidenziando forti fenomeni di competizione. Esperimenti su C. monotis fatta crescere in un filtrato di O. ovata non hanno invece chiarito l'esistenza o meno di eventuali effetti allelopatici di Ostreopsis su Coolia, dato che non sono apparse differenze evidenti tra il controllo e il filtrato, mentre hanno messo in luce l'importanza dei batteri associati alle microalghe come supporto alla loro crescita, poiché le colture cresciute in filtrato sterile hanno manifestato tutte quante un rendimento quantico fotosintetico inferiore.

Competizione e interazioni allelopatiche tra Ostreopsis ovata e altre microalghe.

Le fioriture algali rappresentano un problema emergente che colpisce le attività ricreative costiere negli ultimi decenni e molta responsabilità è attribuita alla pressione antropica sulle coste, anche se fondamentalmente i fenomeni di fioriture dannose rimangono imprevedibili. Un tempo confinate in aree tropicali e sub-tropicali, nuove alghe tossiche produttrici di composti palitossina-simili, quali Ostreopsis spp., si sono diffuse anche in regioni temperate, come il Mediterraneo. Le condizioni di sviluppo di queste fioriture sono legate a fattori ambientali quali irraggiamento, temperatura, concentrazione di nutrienti e alle caratteristiche biologiche delle singole specie. Per valutare il rischio reale sulla salute dell’uomo, vi è necessità di conoscere i parametri ambientali ottimali alla proliferazione delle specie, in termini di temperatura, intensità luminosa e disponibilità di nutrienti, così come di chiarire la struttura delle tossine e le condizioni che possono favorire la loro produzione. In questo studio un ceppo della dinoflagellata Ostreopsis ovata e un ceppo della dinoflagellata Prorocentrum lima sono stati coltivati in colture batch a tre diverse temperature (20°C, 25°C, 30°C) come monocolture e come colture miste. La raccolta è avvenuta nel periodo della loro presunta fase stazionaria. Le informazioni circa il comportamento delle microalghe nelle diverse colture sono state raccolte tramite calcolo del tasso di crescita, analisi del consumo di nutrienti, valutazione dell’efficienza fotosintetica, produzione di tossine. E’ stato applicato un nuovo metodo di misura per il calcolo dei biovolumi. Tra le due microalghe, O. ovata ha esibito maggiore variabilità morfologica, tassi di crescita più elevati e migliore efficienza fotosintetica, mostrando però di subire stress alla temperatura di 30°C. P. lima ha presentato tassi di crescita inferiori, incompleto utilizzo dei nitrati e minore efficienza fotosintetica, accompagnata da grande dissipazione di energia sotto forma di calore. Nelle colture miste, l’uptake più rapido di nitrati da parte di O. ovata ha fatto sì che il numero di cellule di P. lima fosse notevolmente inferiore a quello sviluppatosi nelle colture pure. Ciononostante, la produzione di acido okadaico da parte di P. lima non si è modificata in presenza di O. ovata. Il ceppo di O. ovata utilizzato è stato in grado di produrre ovatossina-a, la tossina maggiormente presente nelle cellule, e quantità circa quattro volte inferiori di ovatossine d+e, oltre a piccole quantità di palitossina putativa. Non è stato invece in grado di produrre le altre due ovatossine conoscisute, l’ovatossina-b e l’ovatossina-c. La produzione di tossine ha dimostrato di essere correlata positivamente con l’aumento della temperatura quando espressa su unità di biovolume, ed è stata inferiore nelle colture miste rispetto alle colture pure. Grazie alla maggiore capacità di crescita, al miglior utilizzo di nutrienti e alla migliore efficienza fotosintetica, O. ovata si dimostra in grado di dare origine a importanti eventi di fioritura, mentre per P. lima i parametri di crescita studiati non evidenziano questa capacità. Le analisi in corso circa la quantità di tossine emesse nel mezzo di coltura permetterano di completare il quadro delineato dal presente studio. Allo stato attuale, non si può concludere che esista attività allelopatica di una specie nei confronti dell’altra.

Clearence rates by Calanus finmarchicus and Calanus helgolandicus determined experimentally

We studied the response in development times of Calanus finmarchicus and Calanus helgolandicus to changes in temperature and food conditions. The ingestion response to temperature was determined in the laboratory, where the copepods C. finmarchicus and C. helgolandicus were fed the diatom Thalassiosira weissflogii (cultivated at 18°C-20°; 12 : 12 light :dark cycle; exponential growth). C. finmarchicus was obtained for experiments from the Gullmar fjord. C. finmarchicus was incubated at in situ temperature (5°C) until the experiments were performed. First-generation cultures were grown in the laboratory at 15°C from the eggs from the Sta. L4 females. During growth both C. finmarchicus and C. helgolandicus cultures were fed a mixture of the cryptophyte Rhodomonas salina, the diatom Thalassiosira weissflogii, and the dinoflagellate Prorocentrum minimum. Five 600-mL glass bottles containing 1400 cells mL**-1 or 5 mg chlorophyll a (Chl a) L**-1 of T. weissflogii (200 mg C) and 1-2 C. finmarchicus or C. helgolandicus copepodite stage 5 (CV) or females were incubated in darkness at series of temperatures between 1°C and 21 ± 0.5°C. Three bottles without copepods served as control. In the C. helgolandicus experiment, T. weissflogii cells were counted at the beginning and end of the experiment in the grazing bottles and controls using a Coulter CounterH (MultisizerTM 3, Beckman Coulter). In the C. finmarchicus experiment, phytoplankton reduction was determined by Chl a measurements. The reduction in phytoplankton during any of the experiments was generally below 20% and never more than 32%. Clearance rates were calculated following Harris et al. (2000).

Abundance and biomass of dinoflagellates and ciliates at time series station Helgoland Roads, North Sea, 2007-2009

A monitoring programme for microzooplankton was started at the long-term sampling station ''Kabeltonne'' at Helgoland Roads (54°11.30' N; 7°54.00' E) in January 2007 in order to provide more detailed knowledge on microzooplankton occurrence, composition and seasonality patterns at this site and to complement the existing plankton data series. Ciliate and dinoflagellate cell concentration and carbon biomass were recorded on a weekly basis. Heterotrophic dinoflagellates were considerably more important in terms of biomass than ciliates, especially during the summer months. However, in early spring, ciliates were the major group of microzooplankton grazers as they responded more quickly to phytoplankton food availability. Mixotrophic dinoflagellates played a secondary role in terms of biomass when compared to heterotrophic species; nevertheless, they made up an intense late summer bloom in 2007. The photosynthetic ciliate Myrionecta rubra bloomed at the end of the sampling period. Due to its high biomass when compared to crustacean plankton especially during the spring bloom, microzooplankton should be regarded as the more important phytoplankton grazer group at Helgoland Roads. Based on these results, analyses of biotic and abiotic factors driving microzooplankton composition and abundance are necessary for a full understanding of this important component of the plankton.

Physicochemical characteristics and protist occurrence at stations sampled in 2007/2008 in the eastern Beaufort Sea

This study documents, for the first time, the abundance and species composition of protist assemblages in Arctic sea ice during the dark winter period. Lack of knowledge of sea-ice assemblages during the dark period has left questions about the retention and survival of protist species that initiate the ice algal bloom. Sea-ice and surface water samples were collected between December 27, 2007 and January 31, 2008 within the Cape Bathurst flaw lead, Canadian Beaufort Sea. Samples were analyzed for protist identification and counts, chlorophyll (chl) a, and total particulate carbon and nitrogen concentrations. Sea-ice chl a concentrations (max. 0.27 µg/l) and total protist abundances (max. 4 x 10**3 cells/l) were very low, indicating minimal retention of protists in the ice during winter. The diversity of winter ice protists (134 taxa) was comparable to spring ice assemblages. Pennate diatoms dominated the winter protist assemblage numerically (averaging 77% of total protist abundances), with Nitzschia frigida being the most abundant species. Only 56 taxa were identified in surface waters, where dinoflagellates were the dominant group. Our results indicate that differences in the timing of ice formation may have a greater impact on the abundance than structure of protist assemblages present in winter sea ice and at the onset of the spring ice algal bloom.