Effects of Paramuricea clavata (Risso, 1826) (Anthozoa: Plexauridae) forests on settlement of benthic species: an experimental approach

Rationale: Coralligenous habitat is considered the second most important subtidal “hot spot” of species diversity in the Mediterranean Sea after the Posidonia oceanica meadows. It can be defined as a typical Mediterranean biogenic hard bottom, mainly produced by the accumulation of calcareous encrusting algae that, together with other builder organisms, form a multidimensional framework with a high micro-spatial variability. The development of this habitat depends on physical factors (i.e. light, hydrodynamism, nutrients, etc.), but also biologic interactions can play a relevant role in structuring the benthic assemblages. This great environmental heterogeneity allows several different assemblages to coexist in a reduced space. One of the most beautiful is that characterised by the Mediterranean gorgonian Paramuricea clavata (Risso, 1826) that can contribute to above 40% of total biomass of the community and brings significant structural complexity into the coralligenous habitat. In sites moderately exposed to waves and currents, P. clavata can form high-density populations (up to 60 colonies m-2) between 20 – 70 m in depth. Being a suspension feeder, where it forms dense populations, P. clavata plays a significant role in transferring energy from planktonic to benthic system. The effects of the branched colonies of P. clavata could be comparable to those of the forests on land. They can affect the micro scale hydrodynamism and light, promoting or inhibiting the growth of other species. Unfortunately, gorgonians are threatened by several anthropogenic disturbance factors (i.e. fishing, pollution, tourism) and by climatic anomalies, linked to the global changes, that are responsible of thermal stress, development of mucilage and enhanced pathogens activity, leading to mass mortality events in last decades. Till now, the possible effects of gorgonian forest loss are largely unknown. Our goal was to analyse the ecological role of these sea fan forests on the coralligenous benthic assemblages. Experimental setup and main results: The influence of P. clavata in the settlement and recruitment of epibenthic organisms was analysed by a field experiment carried out in two randomly selected places: Tavolara island and Portofino promontory. The experiment consisted in recreate the presence and absence of the gorgonian forest on recruitment panels, arranged in four plots per type (forested and non-forested), interspersed each other, and deployed at the same depth. On every forested panel 3 gorgonian colonies about 20 cm height were grafted with the use of Eppendorf tubes and epoxy resin bicomponent simulating a density of 190 sea fans per m-2. This density corresponds to a mean biomass of 825 g DW m-2,3 which is of the same order of magnitude of the natural high-density populations. After about 4 months, the panels were collected and analysed in laboratory in order to estimate the percent cover of all the species that have colonized the substrata. The gorgonian forest effects were tested by multivariate and univariate permutational analyses of the variance (PERMANOVA). Recruited assemblages largely differed between the two study sites, probably due to different environmental conditions including water quality and turbidity. On overall, the presence of P. clavata reduced the settlement and recruitment of several algae: the shadow caused by the gorgonian might reduce light availability and therefore their growth. This effect might be greater in places where the waters are on average more clear, since at Portofino it is less visible and could be masked by the high turbidity of the water. The same pattern was registered for forams, more abundant outside gorgonian forest, probably linked with algal distribution, shadowing effect or alimentary competition. The last one hypothesis could be valid also for serpulids polychaetes that growth mainly on non-forested panels. An opposite trend, was showed by a species of bryozoan and by an hydroid that is facilitated by the presence of P. clavata, probably because it attenuates irradiance level and hydrodynamism. Species diversity was significantly reduced by the presence of P. clavata forests at both sites. This seems in contrast with what we expected, but the result may be influenced by the large algal component on non-forested panels. The analysis confirmed the presence of differences in the species diversity among plots and between sites respectively due to natural high variability of the coralligenous system and to different local environment conditions. The reduction of species diversity due to the presence of gorgonians appeared related to a worst evenness rather than to less species richness. With our experiment it is demonstrated that the presence of P. clavata forests can significantly alter local coralligenous assemblages patterns, promoting or inhibiting the recruitment of some species, modifying trophic relationships and adding heterogeneity and complexity to the habitat. Moreover, P. clavata could have a stabilising effect on the coralligenous assemblages.

Alterazione di risposte fisiologiche in invertebrati marini esposti nella Baia di Cadice (Spagna) come indici della qualità dell'ambiente

La forte crescita nella pescicoltura ha portato ad una significativa pressione ambientale di origine antropica nei sistemi costieri. Il bivalve locale Scrobicularia plana è stato usato come bioindicatore per valutare la qualità ambientale di un ecosistema affetto da scarichi di acque residuali di una piscifattoria nel braccio di mare Rio San Pedro (Spagna sud-occidentale). I bivalvi sono stati raccolti nei sedimenti intertidali nell'ottobre del 2010 da cinque siti del braccio di mare, seguendo un gradiente di inquinamento decrescente dall'effluente al sito di controllo. Per valutare l'esposizione e l'effetto di contaminanti legati alle acque residuali delle piscifattorie è stata selezionata una batteria di biomarker. Sono state misurate nei tessuti delle ghiandole digestive dei bivalvi: l'attività di enzimi del sistema di detossificazione della Fase I (etossiresorufina-O-deetilasi, EROD e dibenzilfluoresceina, DBF) l'attività di un enzima del sistema di detossificazione di Fase II (glutatione S-transferasi, GST), l'attività di enzimi antiossidanti (glutatione perossidasi, GPX e glutatione reduttasi, GR) e parametri di stress ossidativo (perossidazione lipidica, LPO, e danno al DNA). In parallelo sono state misurate in situ, nelle aree di studio, temperatura, pH, salinità e ossigeno disciolto nelle acque superficiali; nelle acque interstiziali sono stati misurati gli stessi parametri con l'aggiunta del potenziale redox. Sono state trovate differenze significative (p<0,05) tra siti di impatto e sito di controllo per quanto riguarda l'attività di EROD e GR, LPO e danno al DNA; è stato osservato un chiaro gradiente di stress riconducibile alla contaminazione, con alte attività di questi biomarker nell'area di scarico delle acque residuali della pescicoltura e livelli più bassi nel sito di controllo. È stata trovata inoltre una correlazione negativa significativa (p<0,01) tra la distanza alla fonte di inquinamento e l’induzione dei biomarker. Sono state analizzate le componenti abiotiche, inserendole inoltre in una mappa georeferenziata a supporto. Ossigeno disciolto, pH, salinità e potenziale redox mostrano valori bassi vicino alla fonte di inquinamento, aumentando man mano che ci si allontana da esso. I dati ottenuti indicano nel loro insieme che lo scarico di acque residuali dalle attività di pescicoltura nel braccio di mare del Rio San Pedro può indurre stress ossidativo negli organismi esposti che può portare ad un'alterazione dello stato di salute degli organismi.

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.

Spatial and temporal variation in settlement, growth and condition of the rockfish species Sebastes caurinus and Sebastes carnatus in the Channel Islands region, Santa Barbara, CA

Survival during the early life stages of marine species, including nearshore temperate reef fishes, is typically very low, and small changes in mortality rates, due to physiological and environmental conditions, can have marked effects on survival of a cohort and, on a larger scale, on the success of a recruitment season. Moreover, trade offs between larval growth and accumulation of energetic resources prior to settlement are likely to influence growth and survival until this critical period and afterwards. Rockfish recruitment rates are notoriously variable between years and across geographic locations. Monitoring of rates of onshore delivery of pelagic juveniles (defined here as settlement) of two species of nearshore rockfishes, Sebastes caurinus and Sebastes carnatus, was done between 2003-2009 years using artificial collectors placed at San Miguel and Santa Cruz Island, off Southern California coast. I investigated spatiotemporal variation in settlement rate, lipid content, pelagic larval duration and larval growth of the newly settled fishes; I assessed relationships between birth date, larval growth, early life-history characteristics and lipid content at settlement, considering also interspecific differences; finally, I attempt to relate interannual patterns of settlement and of early life history traits to easily accessible, local and regional indices of ocean conditions including in situ ocean temperature and regional upwelling, sea surface temperature (SST) and Chlorophyll-a (Chl-a) concentration. Spatial variations appeared to be of low relevance, while significant interannual differences were detected in settlement rate, pelagic larval duration and larval growth. The amount of lipid content of the newly settled fishes was highly variable in space and time, but did not differ between the two species and did not show any relationships with early life history traits, indicating that no trade off involved these physiological processes or they were masked by high individual variability in different periods of larval life. Significant interspecific differences were found in the timing of parturition and settlement and in larval growth rates, with S. carnatus growing faster and breeding and settling later than S. caurinus. The two species exhibited also different patterns of correlations between larval growth rates and larval duration. S. carnatus larval duration was longer when the growth in the first two weeks post-hatch was faster, while S. caurinus had a shorter larval duration when grew fast in the middle and in the end of larval life, suggesting different larval strategies. Fishes with longer larval durations were longer in size at settlement and exhibited longer planktonic phase in periods of favourable environmental conditions. Ocean conditions had a low explanatory power for interannual variation in early life history traits, but a very high explanatory power for settlement fluctuations, with regional upwelling strength being the principal indicator. Nonetheless, interannual variability in larval duration and growth were related to great phenological changes in upwelling happened during the period of this study and that caused negative consequences at all trophic levels along the California coast. Despite the low explanatory power of the environmental variables used in this study on the variation of larval biological traits, environmental processes were differently related with early life history characteristics analyzed to species, indicating possible species-specific susceptibility to ocean conditions and local environmental adaptation, which should be further investigated. These results have implications for understanding the processes influencing larval and juvenile survival, and consequently recruitment variability, which may be dependent on biological characteristics and environmental conditions.

Species identification, distributioin and reproductive interactions of common smoot-hound and blackspotted smooth-hound shark (Genus mustelus) in the Adriatic Sea

Longstanding taxonomic ambiguity and uncertainty exist in the identification of the common (M. mustelus) and blackspotted (M. punctulatus) smooth-hound in the Adriatic Sea. The lack of a clear and accurate method of morphological identification, leading to frequent misidentification, prevents the collation of species-specific landings and survey data for these fishes and hampers the delineation of the distribution ranges and stock boundaries of the species. In this context, adequate species-specific conservation and management strategies can not be applied without risks of population declining and local extinction. In this thesis work I investigated the molecular ecology of the two smooth-hound sharks which are abundant in the demersal trawl surveys carried out in the NC Adriatic Sea to monitor and assess the fishery resources. Ecological and evolutionary relationships were assessed by two molecular tests: a DNA barcoding analysis to improve species identification (and consequently the knowledge of their spatial ecology and taxonomy) and a hybridization assay based on the nuclear codominant marker ITS2 to evaluate reproductive interactions (hybridization or gene introgression). The smooth-hound sharks (N=208) were collected during the MEDITS 2008 and 2010 campaigns along the Italian and Croatian coasts of the Adriatic Sea, in the Sicilian Channel and in the Algerian fisheries. Since the identification based on morphological characters is not strongly reliable, I performed a molecular identification of the specimens producing for each one the cytochrome oxidase subunit 1 (COI) gene sequence (ca. 640 bp long) and compared them with reference sequences from different databases (GenBank and BOLD). From these molecular ID data I inferred the distribution of the two target species in the NC Adriatic Sea. In almost the totality of the MEDITS hauls I found no evidence of species sympatry. The data collected during the MEDITS survey showed an almost different distribution of M. mustelus (confined along the Italian coasts) and M. punctulatus (confined along the Croatian coasts); just one sample (Gulf of Venice, where probably the ranges of the species overlap) was found to have catches of both the species. Despite these data results suggested no interaction occurred between my two target species at least during the summertime (the period in which MEDITS survey is carried out), I still wanted to know if there were inter-species reproductive interactions so I developed a simple molecular genetic method to detect hybridization. This method is based on DNA sequence polymorphism among species in the nuclear ribosomal Internal Transcribed Spacer 2 locus (ITS2). Its application to the 208 specimens collected raised important questions regarding the ecology of this two species in the Adriatic Sea. In fact results showed signs of hybridization and/or gene introgression in two sharks collected during the trawl survey of 2008 and one collected during the 2010 one along the Italian and Croatian coasts. In the case that it will be confirmed the hybrid nature of these individuals, a spatiotemporal overlapping of the mating behaviour and ecology must occur. At the spatial level, the northern part of the Adriatic Sea (an area where the two species occur with high frequency of immature individuals) could likely play the role of a common nursery area for both species.

La modellizzazione dell'inquinamento acustico da traffico navale nell'ambito del progetto GIONHA per l'area del Santuario dei Cetacei

L’area del Mar Ligure racchiusa nei confini internazionali del Santuario Pelagos dei Cetacei si distingue nel Mediterraneo sia per l’importanza bio-ecologica sia per la capillare diffusione del traffico navale, così intenso su base annua da profilare un serio rischio di disturbo acustico per i mammiferi marini. La mia tesi si inserisce nel progetto GIONHA i cui obiettivi sono monitorare, prevenire, e ridurre tale importante fonte di inquinamento. Il principale obiettivo è quello di analizzare i passaggi necessari per l’impostazione di un modello che simuli il percorso dell’onda sonora in acqua, per stimare il livello di rumore ricevuto da un cetaceo che si trovi in un punto qualunque dell’area. A tal fine l’attività di tesi ha comportato la comprensione delle premesse teoriche, la raccolta e la selezione dei dati e la scelta dei parametri di simulazione. La tesi presenta come risultati delle mappe di rumore utilizzate per testare il buon funzionamento del modello in un’area all’interno del Santuario. Alla luce di considerazioni ecologiche e del quadro normativo in vigore in Italia per il Santuario dei Cetacei, le mappe prodotte per questo progetto rappresentano un utile strumento per la gestione dell’area protetta ai fini della salvaguardia dei mammiferi marini e dell’ecosistema.

Genetic variability and structuring of deep Corallium rubrum (Linnaeus, 1758) populations

ABSTRACT Given the decline of shallow-water red coral populations resulting from over-exploitation and mass mortality events, deeper populations below 50 metres depth (mesophotic populations) are currently the most harvested; unfortunately, very little is known about their biology and ecology. The persistence of these populations is tightly linked to their adult density, reproductive success, larval dispersal and recruitment. Moreover, for their conservation, it is paramount understand processes such as connectivity within and among populations. Here, for the first time, genetic variability and structuring of Corallium rubrum populations collected in the Tyrrhenian Sea ranging from 58 to 118 metres were analyzed using ten microsatellite loci and two mitochondrial markers (mtMSH and MtC). The aims of the work were 1) to examine patterns of genetic diversity within each geographic area (Elba, Ischia and Praiano) and 2) to define population structuring at different spatial scales (from tens of metres to hundreds of kilometres). Based on microsatellite data set, significant deviations from Hardy-Weinberg equilibrium due to elevated heterozygote deficiencies were detected in all samples, probably related to the presence of null alleles and/or inbreeding, as was previously observed in shallow-water populations. Moreover, significant levels of genetic differentiation were observed at all spatial scale, suggesting a recent isolation of populations. Biological factors which act at small spatial scale and/or abiotic factors at larger scale (e.g. summer gyres or absence of suitable substrata for settlement) could determine this genetic isolation. Using mitochondrial markers, significant differences were found only at wider scale (between Tuscany and Campania regions). These results could be related to the different mutation rate of the molecular makers or to the occurrence of some historical links within regions. A significant isolation by distance pattern was then observed using both data sets, confirming the restricted larval dispersal capability of the species. Therefore, the hypothesis that deeper populations may act as a source of larvae helping recovery of threatened shallow-water populations is not proved. Conservation strategies have to take into account these results, and management plans of deep and currently harvested populations have to be defined at a regional or sub regional level, similarly to shallow-water populations. Nevertheless, further investigations should be needed to understand better the genetic structuring of this species in the mesophotic zone, e.g. extending studies to other Mediterranean deep-water populations.

Effetto dei modulatori del sistema serotoninergico sulla trasduzione del segnale AMPc-dipendente nel mitilo

Lo sviluppo della medicina ha determinato un utilizzo sempre crescente di sostanze farmacologiche, le quali una volta escrete dagli organismi raggiungono le acque dei fiumi e dei laghi, per arrivare poi all’ambiente marino costiero, che ne risulta sempre maggiormente contaminato. Negli organismi non bersaglio esposti ai residui dei farmaci in ambiente, queste sostanze potrebbero indurre effetti simili a quelli specifici nel caso i bersagli molecolari siano stati conservati durante l’evoluzione, oppure avere effetti inattesi se i bersagli molecolari sono conservati ma hanno una differente funzione. Questo lavoro di tesi è volto a studiare i potenziali effetti indotti dalla fluoxetina (FX, farmaco antidepressivo inibitore dell’uptake della serotonina), e dal propranololo (PROP, farmaco bloccante sia dei recettori β-adrenergici che serotoninergici nell’uomo) nei mitili Mytilus galloprovincialis, esposti a tali sostanze, valutandone l’interazione con i meccanismi di trasduzione del segnale AMPc-dipendente. Sono stati valutati in particolare i livelli di AMPc e l’attività dell’enzima PKA, inoltre si è studiato se i farmaci influiscano con i meccanismi di regolazione del gene ABCB1, che codifica per la P-glicoproteina (Pgp), che ha il compito di estrudere all’esterno della cellula gli xenobiotici che vi sono entrati. Gli studi sono stati condotti dopo esposizione dei mitili in vivo ai due farmaci ed alla loro miscela per 7 giorni in acquario. I risultati hanno indicato che la FX causa una diminuzione statisticamente significativa dei livelli di AMPc, dell’attività della PKA e anche dell’espressione del gene ABCB1 rispetto al controllo, sia nel mantello che nella ghiandola digestiva. Nella ghiandola digestiva il PROP provoca una significativa riduzione dei livelli di AMPc, dell’attività della PKA e dell’espressione del gene ABCB1 rispetto ai valori di controllo. Nel mantello, invece, il PROP aumenta i livelli di AMPc e l’espressione del gene ABCB1, anche se non ha effetti significativi sull’attività della PKA. Per caratterizzare i recettori per la serotonina (5HT), e il possibile ruolo di antagonista giocato dal PROP, abbiamo inoltre trattato in vitro emociti di mitilo con la 5HT l’agonista fisiologico del recettore, usata da sola ed in presenza del PROP. I dati ottenuti dimostrano che negli emociti di mitilo sono espressi recettori 5HT1 accoppiati a proteine G inibitrici, e che il PROP blocca l’effetto della 5HT, agendo come antagonista dei recettori 5HT1. Nell’insieme i dati dimostrano che i farmaci possono avere effetti sugli organismi acquatici anche a concentrazioni molto basse come quelle ambientali. I dati della tesi non dimostrano che PROP e FX hanno effetti deleteri sulle popolazioni o le comunità dei molluschi, ma debbono essere considerati come indicatori della vulnerabilità degli animali a questi composti. Si è dimostrato per la prima volta che gli emociti di mitilo possiedono recettori di tipo 5HT1 correlati alla riduzione dei livelli intracellulari di AMPc, e soprattutto che il sistema AMPc/PKA è deputato alla regolazione dell’espressione dei geni ABCB1 codificanti per proteine del complesso Multi Xenobiotic Resistance.