Global change and climate-driven invasion of the Pacific oyster (Crassostrea gigas) along European coasts: a bioenergetics modelling approach

Aim The spread of non-indigenous species in marine ecosystems world-wide is one of today's most serious environmental concerns. Using mechanistic modelling, we investigated how global change relates to the invasion of European coasts by a non-native marine invertebrate, the Pacific oyster Crassostrea gigas. Location Bourgneuf Bay on the French Atlantic coast was considered as the northern boundary of C. gigas expansion at the time of its introduction to Europe in the 1970s. From this latitudinal reference, variations in the spatial distribution of the C. gigas reproductive niche were analysed along the north-western European coast from Gibraltar to Norway. Methods The effects of environmental variations on C. gigas physiology and phenology were studied using a bioenergetics model based on Dynamic Energy Budget theory. The model was forced with environmental time series including in situ phytoplankton data, and satellite data of sea surface temperature and suspended particulate matter concentration. Results Simulation outputs were successfully validated against in situ oyster growth data. In Bourgneuf Bay, the rise in seawater temperature and phytoplankton concentration has increased C. gigas reproductive effort and led to precocious spawning periods since the 1960s. At the European scale, seawater temperature increase caused a drastic northward shift (1400 km within 30 years) in the C. gigas reproductive niche and optimal thermal conditions for early life stage development. Main conclusions We demonstrated that the poleward expansion of the invasive species C. gigas is related to global warming and increase in phytoplankton abundance. The combination of mechanistic bioenergetics modelling with in situ and satellite environmental data is a valuable framework for ecosystem studies. It offers a generic approach to analyse historical geographical shifts and to predict the biogeographical changes expected to occur in a climate-changing world.

Response of the North Atlantic wave climate to atmospheric modes of variability

This study investigates the relationship between the wind wave climate and the main climate modes of atmospheric variability in the North Atlantic Ocean. The modes considered are the North Atlantic Oscillation (NAO), the East Atlantic (EA) pattern, the East Atlantic Western Russian (EA/WR) pattern and the Scandinavian (SCAN) pattern. The wave dataset consists of buoys records, remote sensing altimetry observations and a numerical hindcast providing significant wave height (SWH), mean wave period (MWP) and mean wave direction (MWD) for the period 1989–2009. After evaluating the reliability of the hindcast, we focus on the impact of each mode on seasonal wave parameters and on the relative importance of wind-sea and swell components. Results demonstrate that the NAO and EA patterns are the most relevant, whereas EA/WR and SCAN patterns have a weaker impact on the North Atlantic wave climate variability. During their positive phases, both NAO and EA patterns are related to winter SWH at a rate that reaches 1 m per unit index along the Scottish coast (NAO) and Iberian coast (EA) patterns. In terms of winter MWD, the two modes induce a counterclockwise shift of up to 65° per negative NAO (positive EA) unit over west European coasts. They also increase the winter MWP in the North Sea and in the Bay of Biscay (up to 1 s per unit NAO) and along the western coasts of Europe and North Africa (1 s per unit EA). The impact of winter EA pattern on all wave parameters is mostly caused through the swell wave component.

Impatto degli interventi antropici di difesa costiera sulla struttura e distribuzione della popolazione di Lentidium mediterraneum (Mollusca bivalvia)

Il presente elaborato si inserisce all’interno del progetto THESEUS (Innovative Technologies for safer European coasts in a changing climate), nella sezione denominata “work package 3”. I principali obiettivi di questo studio sono: 1) valutare l’impatto delle differenti strategie di difesa di zone intertidale dell’ecosistema spiaggia lungo il litorale dell’Emilia-Romagna; 2) analizzare nel dettaglio la struttura e la distribuzione del microbivalve Lentidium mediterraneum, tipico do questa zona, per valutarne un eventuale utilizzo nei progetti di monitoraggio e analisi degli impatti antropici legati alle variazioni morfodinamiche. Sono state scelte tre spiagge: Cesenatico, in cui da molti anni sono presenti strutture di difesa rigide della spiaggia, e dove ogni anno, al termine della stagione estiva, vengono costruite delle dune artificiali, rimosse a fine primavera, per proteggere gli stabilimenti balneari dalle mareggiate invernali; Cervia, in cui sono presenti solo le dune artificiali stagionali; Lido di Dante, considerato naturale per l’assenza di strutture di protezione. Il campionamento è stato effettuato in 3 tempi per ciascun sito. 2 tempi senza le dune artificiali, e uno con. Per ciascun sito e ciascun tempo sono stati replicati 3 transetti, random, per ogni livello di marea. Sono stati prelevati campioni per un totale di 14879 individui e identificati 40 taxa. Da questi sono stati estratti gli esemplari di Lentidium mediterraneum da analizzare. Le analisi uni e multivariate effettuate sull’intera comunità hanno messo in evidenza differenze fra le spiagge, fra i tempi di campionamento e i livelli di marea. Si è, inoltre evidenziato come tali differenze fossero in parte dovute alle densità di Lentidium mediterraneum. Oltre alle analisi classiche nel presente lavoro di tesi è stato proposto un modello concettuale di trasporto del Lentidium mediterraneum che se validato confermerebbe la possibilità di utilizzare il microbivalve come “proxy biologico”.

Analisi spazio-temporale degli effetti di stress di origine antropica sull’ecosistema intertidale di spiagge sabbiose nell’alto Adriatico

Il presente lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto Europeo Theseus (Innovative technologies for European coasts in a changing climate), volto a fornire una metodologia integrata per la pianificazione sostenibile di strategie di difesa per la gestione dell’erosione costiera e delle inondazioni che tengano in conto non solo gli aspetti tecnici ma anche quelli sociali, economici e ambientali/ecologici. L'area oggetto di studio di questo elaborato di tesi è la zona costiera della Regione Emilia Romagna, costituita unicamente da spiagge sabbiose. In particolare si è focalizzata l’attenzione sulla zona intertidale, in quanto, essendo l’ambiente di transizione tra l’ambiente marino e quello terrestre può fornire indicazioni su fenomeni erosivi di una spiaggia e cambiamenti del livello del mare, unitamente alla risposta agli interventi antropici. Gli obiettivi della tesi sono sostanzialmente tre: un primo obiettivo è confrontare ecosistemi di spiagge dove sono presenti strutture di difesa costiera rispetto a spiagge che ne erano invece prive. Il secondo obiettivo è valutare l’impatto provocato sugli ecosistemi di spiaggia dall’attività stagionale del “bulldozing” e in ultimo proporre un sistema esperto di nuova concezione in grado di prevedere statisticamente la risposta delle comunità bentoniche a diversi tipi di interventi antropici. A tal fine è stato pianificato un disegno di campionamento dove sono stati indagati tre siti differenti per morfologia e impatto antropico: Cesenatico (barriere e pratica bulldozing), Cervia, dissipativa e non soggetta a erosione (assenza di barriere e ma con pratica del bulldozing) e Lido di Dante, tendenzialmente soggetta a erosione (senza barriere e senza pratica del bulldozing). Il campionamento è stato effettuato in 4 tempi (due prima del “bulldozing” e due dopo) nell’arco di 2 anni. In ciascun sito e tempo sono stati campionati 3 transetti perpendicolari alla linea di costa, e per ogni transetto sono stati individuati tre punti relativi ad alta, media e bassa marea. Per ogni variabile considerata sono stati prelevati totale di 216 campioni. Io personalmente ho analizzato i campioni dell’ultima campagna di campionamento, ma ho analizzato l’insieme dei dati. Sono state considerate variabili relative ai popolamenti macrobentonici quali dati di abbondanza, numero di taxa e indice di diversità di Shannon e alcune variabili abiotiche descrittive delle caratteristiche morfologiche dell’area intertidale quali granulometria (mediana, classazione e asimmetria), detrito conchigliare, contenuto di materia organica (TOM), pendenza e lunghezza della zona intertidale, esposizione delle spiagge e indici morfodinamici. L'elaborazione dei dati è stata effettuata mediante tecniche di analisi univariate e multivariate sia sui dati biotici che sulle variabili ambientali, “descrittori dell’habitat”, allo scopo di mettere in luce le interazioni tra le variabili ambientali e le dinamiche dei popolamenti macrobentonici. L’insieme dei risultati delle analisi univariate e multivariate sia dei descrittori ambientali che di quelli biotici, hanno evidenziato, come la risposta delle variabili considerate sia complessa e non lineare. Nonostante non sia stato possibile evidenziare chiari pattern di interazione fra “protezione” e “bulldozing”, sono comunque emerse delle chiare differenze fra i tre siti indagati sia per quanto riguarda le variabili “descrittori dell’habitat” che quelle relative alla struttura dei popolamenti. In risposta a quanto richiesto in contesto water framework directive e in maniera funzionale all’elevate complessità del sistema intertidale è stato proposto un sistema esperto basato su approccio congiunto fuzzy bayesiano (già utilizzato con altre modalità all’interno del progetto Theseus). Con il sistema esperto prodotto, si è deciso di simulare nel sito di Cesenatico due ripascimenti virtuali uno caratterizzato da una gralometria fine e da uno con una granulometria più grossolana rispetto a quella osservata a Cesenatico. Il sistema fuzzy naïve Bayes, nonostante al momento sia ancora in fase di messa a punto, si è dimostrato in grado di gestire l'elevato numero di interazioni ambientali che caratterizzano la risposta della componente biologica macrobentonica nell'habitat intertidale delle spiagge sabbiose.

Previsioni di stati ecosistemici dell'intertidale sabbioso del Nord Adriatico in risposta ad eventi meteorologici estremi

Il presente elaborato di tesi si inserisce nell’ambito del progetto europeo THESEUS (Innovative technologies for safer European coasts in a changing climate) fra i cui principali obiettivi c’è quello di fornire un’adeguata metodologia integrata per la pianificazione di strategie di difesa costiera sostenibili. Le zone costiere sono sempre più soggette agli impatti antropici, legati all’intensificazione dell’urbanizzazione, e agli effetti del global climate change, ed in particolare al conseguente sea level rise. Diventa quindi importante, in un’ottica di preservazione e di gestione, capire come gli ecosistemi costieri e i beni e servizi che essi forniscono risponderanno a questi cambiamenti ambientali. Fra questi, preponderanti sono quelli rappresentati dalle spiagge sabbiose. Al fine di valutare come differenti strategie di gestione possono influenzare il sistema spiaggia, è stata analizzata la riposta del comparto bentonico della zona intertidale di due differenti spiagge lungo la costa emiliano-romagnola. Lido di Spina è fortemente antropizzato e caratterizzato dalla presenza di infrastrutture balneari-turistiche permanenti. E’ soggetto, inoltre, a interventi di ripascimento annuali e di pulizia della spiaggia. Bellocchio, invece, è un sito naturale che presenta una spiaggia caratterizzata dall’arretramento della linea di costa causata dell’erosione, e non è soggetta a interventi di gestione finalizzati alla sua mitigazione. In questo studio è stata utilizzata la componente meiobentonica, generalmente trascurata, come indicatore chiave della vulnerabilità ecologica, mentre la zona intertidale sabbiosa è stata indagata in quanto reputata uno dei primi habitat costieri “recettore” degli eventi di flooding e degli interventi di gestione. Globalmente è stato possibile evidenziare differenze di struttura di comunità fra i due siti indagati, sottolineando come, anche questa componente sia in grado di far emergere i cambiamenti dovuti a differenti approcci di gestione delle coste sabbiose. Nella seconda parte del lavoro, invece, è stato testato un approccio metodologico innovativo, denominato “Fuzzy Bayes Ecological Model” (FBEM), sviluppato nell’ambito del progetto THESEUS. L’applicazione del FBEM in THESEUS è finalizzata alla simulazione delle risposte ecosistemiche ad eventi di flooding costiero ed al fenomeno del sea level rise. In questo elaborato, il modello è stato adottato al fine di descrivere eventuali cambiamenti dei popolamenti meiobentonici. Nello specifico, l’utilizzo del modello è servito per poter confrontare la situazione attuale relativa, quindi, allo scenario di sea level rise pari a zero, con quella ipotizzata dall’IPCC per il 2080 di sea level rise pari a 0,22 m, prendendo in considerazione otto tempi di ritorno di eventi simulati di flooding a intensità crescente. Dalle simulazioni emerge come il driver del danno ecologico sia l’onda frangente il cui effetto risulta, però, mitigato dal sea level rise. I popolamenti meiobentonici sono risultati dei buoni indicatori per la valutazione dei rischi connessi al flooding e al sea level rise, dimostrando così il loro possibile utilizzo come descrittori dei cambiamenti ecologici delle zone costiere. Per questo, lo studio ed il monitoraggio della dinamica e della struttura dei popolamenti meiobentonici può diventare un mezzo fondamentale per la comprensione delle funzionalità ecosistemiche delle spiagge sabbiose. E’ inoltre in grado di produrre alcune delle informazioni necessarie allo sviluppo dei piani di gestione integrata della fascia costiera in un ottica di conservazione di questi habitat costieri e dei servizi e beni da essi forniti.

Effects of artificial defences and flooding on coastal habitats and assemblages

Since large stretches of European coasts are already retreating and projected scenarios are worsening, many artificial structures, such as breakwaters and seawalls, are built as tool against coastal erosion. However artificial structures produce widespread changes that alter the coastal zones and affect the biological communities. My doctoral thesis analyses the consequences of different options for coastal protection, namely hard engineering ‘artificial defences’ (i.e. impact of human-made structures) and ‘no-defence’ (i.e. impact of seawater inundation). I investigated two new aspects of the potential impact of coastal defences. The first was the effect of artificial hard substrates on the fish communities structure. In particular I was interested to test if the differences among breakwaters and natural rocky reef would change depending on the nature of the surrounding habitat of the artificial structure (prevalent sandy rather than rocky). The second was the effect on the native natural sandy habitats of the organic detritus derived from hard-bottom species (green algae and mussels) detached from breakwaters. Furthermore, I investigated the ecological implication of the “no-defend” option, which allow the inundation of coastal habitats. The focus of this study was the potential effect of seawater intrusion on the degradation process of marine, salt-marsh and terrestrial detritus, including changes on the breakdown rates and the associated macrofauna. The PhD research was conducted in three areas along European coasts: North Adriatic sea, Sicilian coast and South-West England where different habitats (coastal, estuarine), biological communities (soft-bottom macro-benthos; rocky-coastal fishes; estuarine macro-invertebrates) and processes (organic enrichment; assemblage structure; leaf-litter breakdown) were analyzed. The research was carried out through manipulative and descriptive field-experiments in which specific hypothesis were tested by univariate and multivariate analyses.

Metabolic responses to temperature stress under elevated pCO2 in Crepidula fornicata

In the current context of environmental change, ocean acidification is predicted to affect the cellular processes, physiology and behaviour of all marine organisms, impacting survival, growth and reproduction. In relation to thermal tolerance limits, the effects of elevated pCO2 could be expected to be more pronounced at the upper limits of the thermal tolerance window. Our study focused on Crepidula fornicata, an invasive gastropod which colonized shallow waters around European coasts during the 20th century. We investigated the effects of 10 weeks' exposure to current (380 µatm) and elevated (550, 750, 1,000 µatm) pCO2 on this engineer species using an acute temperature increase (1 °C/12 h) as the test. Respiration rates were measured on both males (small individuals) and females (large individuals). Mortality increased suddenly from 34 °C, particularly in females. Respiration rate in C. fornicata increased linearly with temperature between 18 and 34 °C, but no differences were detected between the different pCO2 conditions either in the regressions between respiration rate and temperature or in Q10 values. In the same way, condition indices were similar in all the pCO2 treatments at the end of the experiment, but decreased from the beginning of the experiment. This species was highly resistant to acute exposure to high temperature regardless of pCO2 levels, even though food was limited during the experiment. Crepidula fornicata appears to have either developed resistance mechanisms or a strong phenotypic plasticity to deal with fluctuations of physicochemical parameters in its habitat. This suggests that invasive species may be more resistant to future environmental changes than its native competitors.

Assessing the physiological responses of the gastropod Crepidula fornicata to predicted ocean acidification and warming

Organisms inhabiting coastal waters naturally experience diel and seasonal physico-chemical variations. According to various assumptions, coastal species are either considered to be highly tolerant to environmental changes or, conversely, living at the thresholds of their physiological performance. Therefore, these species are either more resistant or more sensitive, respectively, to ocean acidification and warming. Here, we focused on Crepidula fornicata, an invasive gastropod that colonized bays and estuaries on northwestern European coasts during the 20th century. Small (<3 cm in length) and large (>4.5 cm in length), sexually mature individuals of C. fornicata were raised for 6 months in three different pCO2 conditions (390 µatm, 750 µatm, and 1400 µatm) at four successive temperature levels (10°C, 13°C, 16°C, and 19°C). At each temperature level and in each pCO2 condition, we assessed the physiological rates of respiration, ammonia excretion, filtration and calcification on small and large individuals. Results show that, in general, temperature positively influenced respiration, excretion and filtration rates in both small and large individuals. Conversely, increasing pCO2 negatively affected calcification rates, leading to net dissolution in the most drastic pCO2 condition (1400 µatm) but did not affect the other physiological rates. Overall, our results indicate that C. fornicata can tolerate ocean acidification, particularly in the intermediate pCO2 scenario. Moreover, in this eurythermal species, moderate warming may play a buffering role in the future responses of organisms to ocean acidification.