Ice dynamics and variations in trophic networks and transfer of contaminants at Terra Nova bay: a study based on the analysis of stable isotopes (C, N) and heavy metals in sympagic algae, plankton, fish and avifauna

I legami trofici sono alla base dell’architettura della biodiversità e dei processi di biomagnificazione. Per questo motivo determinare le interazioni tra gli organismi è chiave per definire la sensitività di biodiversità e vie di bioaccumulo ai cambiamenti climatici. L’architettura della biodiversità, a sua volta regola la robustezza delle comunità alla perdita secondaria in specie a causa dell’estinzione di una o poche nella comunità per effetti, ad esempio, del cambiamento climatico. Produttività primaria e quindi link trofici, in Antartide, sono strettamente legati alle dinamiche di presenza e assenza del ghiaccio marino che, a Baia Terra Nova, subisce una forte stagionalità. Il progetto era in linea con i “next generation SRPs” dello SCAR (“Ecosystem Resilience and Adaptation” e “State of the Antarctic Ecosystem”) per lo studio della diversità strutturale e funzionale a livello di rete trofica con nuove metodiche, inclusi isotopi stabili di C e N per un riconoscimento affidabile di “chi mangia che cosa”. In Antartide, sono scarse le conoscenze su (1) variazione spaziale e temporale nella struttura di rete trofica; (2) duplice caratterizzazione isotopica delle specie; (3) processi di biomagnificazione di inquinanti incluse specie di interesse commerciale; (4) effetto combinato di cambio di copertura ghiacciata e contaminazione sulla stabilità della biodiversità Antartica. La ricerca ha messo in luce, senza precedenti, la complessa struttura della biodiversità antartica, le principali via dei flussi e dei contaminanti, e la loro possibile risposta delle comunità a variazioni nelle dinamiche del ghiaccio marino anche nell’ottica dei cambiamenti climatici.  I risultati ottenuti hanno permesso di fornire informazioni cruciali per i piani di gestione dell’area marina protetta del mare di Ross, così come informazioni chiave per istituire nuove aree protette in Antartide.

Il progetto mirava a raggiungere 4 principali obiettivi: 1) determinare il segnale isotopico (C,N) e le concentrazioni di metalli pesanti in plancton, alghe simpagiche, necton, avifauna (guano, piume e penne, tessuti da carcasse) e specie bentoniche target in aree caratterizzate da diversa dinamica stagionale della copertura ghiacciata; 2) ricostruire le reti trofiche a base detrito e pascolo utilizzando un approccio multiplo di definizione di specie; 3) definire la variabilità spaziale e temporale della robustezza di rete alla perdita secondaria di diversità sia tassonomica che funzionale lungo gradienti di copertura ghiacciata; 4) implementare la collezione museale di specie antartiche funzionalmente definite con approccio multiplo. Con queste informazioni sarà possibile stimare la potenziale fragilità strutturale e funzionale al disturbo della rete trofica in conseguenza di potenziali variazioni nei drivers ambientali (modificazioni nelle dinamiche del ghiaccio marino -persistenza stagionale, variazioni produttività primaria e input di materia organica). Saranno inoltre analizzate le potenzialità di biomagnificazione nella rete inclusi stock ittici commerciali. La conoscenza della struttura e della composizione specie-specifica e trofo-funzionale di sub- e meta reti trofiche ottenuta con la metodice qui proposta chiarirà l’architettura della biodiversità e la sua vulnerabilità alla perdita di primaria e secondaria di specie.

Le attività svolte in campo sono state essenzialmente: 1) raccolta di campioni di invertebrati e campioni biologici marini (zooplancton e fitoplancton, alghe) tramite l’utilizzo di retino da plancton, 2) Prelievo di ittiofauna mediante pesca con lenza, 3) raccolta di campioni relativi alle popolazioni di pinguino, sia Adelia che Imperatore, tramite campionamento di guano. In Italia sono stati indagati, attraverso l'analisi elementare degli isotopi stabili (δ¹³C, δ¹⁵N) la variabilità nell'uso delle risorse da parte degli individui e popolazioni prelevate, i livelli trofici da essi occupati e la relazione tra firme isotopiche di questi e contaminanti anche nei predatori terminali (inclusa fauna ittica, pinguini Adelia, pinguini Imperatore) nella Baia Terra Nova. Tra i risultati principali, la stretta dipendenza degli organismi pelagici a input di nutrienti simpagici e pelagici. Sono state inoltre ricostruirne le sub- e le meta-reti trofiche e determinarne le proprietà statistiche. Raffinati modelli di mixing bayesiani, applicati sia ai segnali isotopici nei tessuti vegetali che animali (inclusi contenuti stomacali) delle specie di predatori primari e secondari hanno permesso di stabilire e quantificare le interazioni e la bioconcentrazione preda-predatore tra II e III livello e tra III e IV livello trofico. I risultati, di elevata importanza, sono stati inoltre divulgati attraverso la partecipazione a congressi e seminari nazionali ed internazionali, oltre che essere pubblicati in riviste scientifiche di importanza internazionale. I risultati hanno permesso di chiarire numerosi aspetti della bio-ecologia relativamente alla conservazione della biodiversità antartica, del funzionamento della rete trofica marina in un contesto di cambiamento climatico globale, e delle potenziali interazioni tra complessità di rete trofica, cambio climatico e concentrazioni tossiche per animali e esseri umani data l’analisi di specie di pesce attualmente o potenzialmente soggette a pesca commerciale.

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Calizza, E., Signa, G., Rossi, L., Vizzini, S., Careddu, G., Tramati, C.D., Caputi, S.S., Mazzola, A., Costantini, M.L., 2021. Trace elements and stable isotopes in penguin chicks and eggs: A baseline for monitoring the Ross Sea MPA and trophic transfer studies. Marine Pollution Bulletin 170, 112667. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2021.112667

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Jafari, V., Maccapan, D., Careddu, G., Sporta Caputi, S., Calizza, E., Rossi, L., Costantini, M.L., 2021. Spatial and temporal diet variability of Adélie (Pygoscelis adeliae) and Emperor (Aptenodytes forsteri) Penguin: a multi tissue stable isotope analysis. Polar Biol 44, 1869–1881. https://doi.org/10.1007/s00300-021-02925-1

Signa, G., Calizza, E., Costantini, M.L., Tramati, C., Sporta Caputi, S., Mazzola, A., Rossi, L., Vizzini, S., 2019. Horizontal and vertical food web structure drives trace element trophic transfer in Terra Nova Bay, Antarctica. Environmental Pollution 246, 772–781. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.12.071

Sporta Caputi, S. Variation in the structure of food webs related to climate change and anthropogenic disturbance. PhD Thesis, tutors Rossi Loreto, Costantini Maria letizia