Biodiversità e funzionamento degli ecosistemi bentonici profondi del Mare di Ross, alla luce dei cambiamenti climatici in corso nell'Oceano Meridionale

La strategia di campionamento consentirà di coprire le aree indagate durante il progetto ROSSMIZE utilizzando un campionamento gerarchico altamente replicato, per consentire un confronto non condizionato dalle variazioni temporali e spaziali a piccola scala. 3 i Task principali: 1) Variazioni delle caratteristiche oceanografiche, sedimentologiche e delle "biological signatures”; tramite analisi delle caratteristiche sedimentologiche dei siti di campionamento, analisi dei flussi verticali, profili CTD per identificare cambiamenti delle caratteristiche delle masse d'acqua tra 1994-95 e 2016-17. Al fine
di ottenere un "track record" dei cambiamenti avvenuti nel corso degli ultimi 2 decenni (e oltre), BEDROSE analizzerà i frustoli di diatomee, gli esoscheletri del plancton e il DNA ambientale (e.g., i geni extracellulari di eucarioti) in diversi orizzonti sedimentari datati. Ciò consentirà di comprendere i cambiamenti verificatisi nella struttura dei popolamenti planctonici attraverso i depositi sul fondale marino. 2) Variazioni della biodiversità dei popolamenti bentonici profondi (dai virus alla megafauna e fauna ittica); utilizzando approcci sia tradizionali che molecolari (metagenetici / barcoding). Ulteriori analisi metagenomiche saranno utilizzate per l'analisi strutturale e funzionale dei Batteri ed Archaea bentonici. Infine, indagini ROV saranno utilizzate per studiare le componenti bentoniche di più grandi dimensioni; 3) Variazioni di funzionamento degli ecosistemi profondi e delle reti alimentari bentoniche; saranno indagati cambiamenti dei cicli biogeochimici anche attraverso l'analisi dei tassi di degradazione della materia organica, la produzione di biomassa, produzione procariotica di C. Le condizioni trofiche saranno studiate in termini di fitopigmenti, proteine totali e labili, carboidrati e lipidi. Il funzionamento degli ecosistemi profondi sarà studiato in termini di funzionamento del circuito microbico (Batteri ed Archaea bentonici), insieme con l'analisi delle infezioni virali e della composizione isotopica della materia organica sedimentaria, delle fonti di cibo e del macrobenthos. Tutte le analisi saranno eseguite utilizzando le strumentazioni più avanzate, unitamente alle migliori metodologie e protocolli più aggiornati, che sono già disponibili all'interno del gruppo di ricerca del progetto. 

1) comprendere i meccanismi e la portata potenziale dell'impatto dei cambiamenti climatici sugli ecosistemi bentonici antartici profondi, 

2) fornire gli strumenti più idonei per una loro corretta gestione e 

3) valutare le potenziali implicazioni di questi cambiamenti sugli ecosistemi profondi a più ampia scala spaziale.

Relazione finale delle attività di campionamento inerenti il progetto 2016/A3.02

Il progetto BEDROSE si propone di studiare l’impatto dei cambiamenti climatici globali sul benthos profondo del Mare di Ross, Antartide. BEDROSE si propone di analizzare la risposta in termini di biodiversità e funzionamento degli ecosistemi profondi alle variazioni di temperatura ed alterazioni dei regimi idrodinamici recentemente rilevate nel Mare di Ross. A tal fine, sarà effettuato un confronto tra i campioni prelevati in questa campagna ed i risultati del progetto ROSSMIZE (Ross Sea Marginal Ice Zone, X Spedizione Antartica, 1994-1995). 

Le UUOO

Le 5 Unità Operative di BEDROSE (Università Politecnica delle Marche-coordinatore, Università di Cagliari, Università di Genova, l'Istituto di Scienze Marine-ISMAR-CNR, Istituto Nazionale Italiano per la Protezione e la Ricerca Ambientale-ISPRA), hanno cooperato in maniera sinergica per l’organizzazione della campagna oceanografica a bordo della R/V Italica, nel periodo gennaio-febbraio 2017.  

Le attività a bordo

Durante questo periodo, il progetto ha previsto una fase di campionamento di acqua e sedimenti marini in tre diverse stazioni (denominate B, C e D), a profondità comprese fra i 300 e i 600 m. In ciascuna delle stazioni B e C si sono effettuati campionamenti in due siti (B1 e B2, C1 e C2), distanti fra loro almeno 1 miglio nautico. Nella stazione D è invece stato campionato un unico sito (D1). I campionamenti nelle stazioni B e C sono stati ripetuti una seconda volta a distanza di circa due settimane. In ciascun periodo di campionamento, nelle stazioni B e C sono stati effettuati anche profili CTD e prelievi di acqua a diverse profondità, in collaborazione con il progetto p-ROSE. Per questioni logistiche, il ROV non è stato disponibile sulla nave per il periodo necessario. Al suo posto, ISPRA ha messo a disposizione telecamere subacquee, installate sugli strumenti di campionamento (multicorer, boxcorer e rosette) ed utilizzati in diverse fasi del campionamento. L’acquisizione di filmati ha permesso di raccogliere informazioni sul comparto bentonico, ed in particolar modo su organismi del comparto della megafauna presenti sul sedimento al momento del campionamento. Tutti i campionamenti effettuati hanno il prelievo di sedimenti marini in repliche indipendenti (ovvero differenti calate dello strumento di campionamento utilizzato). A causa di problemi tecnici di fabbricazione che ne hanno impedito il corretto funzionamento, il multicorer di nuova acquisizione del progetto ha permesso il recupero di un numero limitato di carote di sedimento. Il campionamento con multicorer è stato integrato dall' uso di boxcorer oceanico a copertura stagna ed in grado di assicurare campioni indisturbati di sedimento superficiale. In ciascun sito e tempo di campionamento sono stati raccolti sedimenti per le analisi di materia organica e degli organismi marini bentonici, inclusa la componente microbica. Sulle stazioni B1 e B2 sono stati eseguiti profili ad alta risoluzione di temperatura, pH, potenziale redox e resistività (come proxy della porosità) nei primi 15-20 cm di sedimento. Ulteriori campioni di sedimento sono stati prelevati in collaborazione con il progetto TRACERS in diverse stazioni (denominate TR-2, TR-9, HLF-17, TR-5, TR-8), utilizzando il boxcorer per il prelievo della porzione più superficiale dei sedimenti, ed il piston corer per il prelievo di sedimenti subsuperficiali. I campioni di sedimento sono stati immediatamente processati dopo il prelievo ed subcampionati per le diverse analisi da effettuare; la porzione di sedimento dedicata alla raccolta di organismi del comparto macrobentonico è stata trattata a bordo nave usando appositi setacci, ed in seguito il campione è stato trasferito in contenitori dedicati. Gli organismi di dimensioni maggiori (megafauna) sono stati prelevati in collaborazione con il progetto GRACEFUL, tramite utilizzo di draga a traino in 5 diverse stazioni (denominate GRACE_2, 4, 5, 7 ed 8). Gli organismi prelevati sono stati fotografati e processati per il trasporto con destinazione Italia. Per approfondire gli effetti dei cambiamenti climatici sul comparto bentonico, è stato eseguito un esperimento di inoculo di fitodetrito su sedimenti prelevati presso la stazione B1 tramite multicorer in collaborazione con il progetto PRIAMO.

Risultati

Le abbondanze e biomasse dei procarioti e le abbondanze dei virus e la loro relativa produzione risultano essere generalmente più elevate nelle stazioni B rispetto a C e D. Lo stesso andamento è stato visto anche per l'abbondanza della meiofauna. L'analisi della diversità tassonomica dei procarioti ha permesso di ottenere un totale di 2,779,993 16S sequenze di rRNA estratte dal DNA microbico e sequenziate con MiSeq Illumina. Sono state ottenute da 54,663 a 165,130 reads per campione che hanno portato ad una identificazione di un totale di 59 phyla, 194 classi, 364 ordini e 552 famiglie.

La granulometria dei sedimenti non mostra significative differenze rispetto ai risultati ottenuti dai campioni raccolti nel 1994. I risultati delle analisi dei flussi di materia organica misurati lungo la colonna d'acqua mostrano valori più bassi rispetto alle misure effettuate 25 anni prima con una evidente variazione dopo il 2000 documentata grazie alla presenza di una stazione di monitoraggio di lungo periodo. Anche la diversità dei foraminiferi cambia quando le due aree di campionamento vengono messe a confronto come precedentemente visto per le altre componenti biotiche. 

Per quanto riguarda la macrofauna, 1836 campioni sono stati analizzati e 174 specie sono state identificate. Il gruppo dei policheti risulta essere il più abbondante con valori generalmente più elevati nel sito B rispetto a C. 

Durante il progetto sono stati messi a punto nuovi strumenti per la raccolta di campioni di pesci ed organismi bentonici rispettivamente: BRUVS (baited remote underwater video system) per la cattura di pesci attratti dalla presenza di una esca illuminata con una fonte di luce;  e DTIS (Deep Towed Image System) che può operare fino a 1000m di profondità associato alla rosette. 

Le concentrazioni delle componenti biochimiche della materia organica (proteine, carboidrati e lipidi) e dei fitopigmenti mostrano valori più alti nel sito B rispetto al sito C ed importante variazioni si registrano quando i dati ottenuti nell'ambito di questo progetto sono confrontati con le campagne di 25 anni fa.     

Barone, G.; Corinaldesi, C.; Rastelli, E.; Tangherlini, M.; Varrella, S.; Danovaro, R.; Dell’Anno, A. Local Environmental Conditions Promote High Turnover Diversity of Benthic Deep-Sea Fungi in the Ross Sea (Antarctica). J. Fungi 2022, 8, 65. https://doi.org/10.3390/jof8010065

Chiarini F, Ravaioli M, Capotondi L, 2019. Interannual variability of vertical particle fluxes in the Ross Sea (Antarctica). Nature Conservation 34: 417-440, doi: 10.3897/natureconservation.34.30732 

Capotondi, L., Bonomo, S., Budillon, G., Giordano, P., Langone, L., 2020. Living and dead benthic foraminiferal distribution in two areas of the Ross Sea (Antarctica). Rend. Fis. Acc. Lincei 31, 1037–1053, https://doi.org/10.1007/s12210-020-00949-z.