Fioriture di cianobatteri un elemento di crisi per i

Fioriture di cianobatteri un elemento di crisi
per i laghi artificiali: Il caso di studio del Lago Occhito
Gestione delle risorse e qualità dei corpi idrici
ARPA Puglia
- 30 marzo 2011 Diego Copetti
IRSA-CNR
Inquadramento
I cianobatteri sono una componente naturale del
popolamento algale dei laghi
Essendo in grado di produrre sostanze tossiche
(cianotossine) la loro presenza nelle acque può determinare
cambiamenti nella struttura dell’ecosistema e problemi
nell’utilizzo della risorsa idrica da parte dell’uomo, con una
riduzione dei “servizi” ecosistemici”
In anni recenti la presenza dei cianobatteri sembra essere
aumentata in diversi ambienti distribuiti a tutte le latitudini.
In letteratura vengono riportati chiari esempi anche a livello
nazionale ed europeo
Inquadramento 2
Alcuni autori legano esplicitamente l’aumento della
presenza dei cianobatteri ai cambiamenti climatici ,e
particolarmente al riscaldamento globale, che agirebbero
come catalizzatori per le fioriture di cianobatteri
La presenza di alcune specie (tra cui Planktothrix rubescens)
si è intensificata durante il processo di riduzione dei carichi
di nutrienti da bacino e in concomitanza alla riduzione dello
stato trofico in diversi ambienti europei
Il problema ha ormai assunto dimensioni considerevoli e
sono ormai diverse le istituzioni nazionali e internazionali
interessate al problema
Cenni di sistematica
È un raggruppamento molto variegato costituito da organismi unicellulari procarioti
La classe delle cianoficee (Cyanophyceae) si divide in due ordini:
Chroococcales
Generi
Aphanotheche
Coelospaerium
Gloeocapsa
Gloeothece
Gomposphaeria,
Microcystis
Synechococcus
Cellule solitarie (es. Synechococcus)
Cellule riunite in colonie ad organizzazione coccale (es.
Microcystis)
Nostocales
Generi
Anabaena
Anabaenopsis
Aphanizomenon
Gloeotrichia
Lyngbya
Nodularia
Nostoc
Planktothrix
Pseudoanabaena
Schizothrix
Spirulina
Trichodesmium
formano colonie filamentose (es. Aphanizomenon)
Caratteristiche eco-fisiologiche
I cianobatteri sono quindi un taxa intermedio tra i batteri (struttura cellulare) e le
alghe (sistema fotosintetico)
Il sistema fotosintetico è caratterizzato da una
elevata efficienza nell’itercettazione della luce:
Tilacoidi (clorofilla-a)
Ficobilisomi (ficocianina e ficoeritrina)
Essendo un raggruppamento molto diversificato è difficile definire un insieme
di caratteristiche eco-fisiologiche comuni. Spesso è quindi importante conoscere
l’ecologia e la fisiologia a livello specifico
La situazione è ulteriormente complicata dal fatto che essendo, i cianobatteri,
organismi procarioti lo scambio di materiale genetico nella popolazione avviene
anche per via orizzontale e non solo verticale
Le cianotossine
Epatotossine
Neurotossine
PSP
Anatossine
Cilindrospermospina
Microcistine
Alcaloidi
Nodularine
Peptidi ciclici
Vie di esposizione
Mezzo
Orale
Acqua potabile
Acque ad uso ricreazionale
Cibo (prodotti ittici)
Polmonare
Aerosol, spray in attività di
ricreazione, lavoro, doccia
Cutanea
Attività di ricreazione, lavoro,
doccia
Emodialisi
Acqua usata per emodialisi
Fattori che determinano la produzione di tossine
Variabilità genetica
Sono infatti tossiche solo le popolazioni, o
porzioni di popolazione, che contengono
genotipi in grado di produrre tossine algali
Dinamica della popolazione
In generale si osserva una maggiore
produzione di tossine durante la fase di
crescita esponenziale verso lo stadio finale
della fioritura
Fattori ambientali
La produzione di tossine è infine
influenzata da diversi fattori abiotici
(nutrienti, Luce, temperatura) e biotici
predazione, competizione)
Planktothrix rubescens
~ 3µ
µm
•
•
•
•
•
•
•
Cold stenoterm species: 5-16.5°C (Dukulil & Teubner, 2000)
Low maximum growth rate 0.12 – 0.4 d-1 (Walsby et al., 2001)
Low respiration rate 0.01 d-1 (Omlin, 2001);
Low phtosynthetic saturation threshold: 20 µEm-2s-1 (Walsby, 2001);
Sheady feed back (Kirk, 1976, Scheffer et al., 1997)
Vertical migration: 0.1-0.8 m d-1 (Walsby, 2001);
Defence from the zooplankton grazing (Kurmayer & Gütter, 2001)
Le microcistine
Le microcistine sono tra le cianotossine quelle
più diffuse e vengono prodotte dalla maggior
parte delle specie di Microcystis e da alcune
specie di Anabaena, da Planktothrix agardhii e
rubescens.
Sono molecole stabili e resistenti, a causa
della loro struttura ciclica, che possono
quindi persistere nell’ambiente anche per
periodi relativamente lunghi soprattutto in
assenza di luce.
Eptapeptidi monociclici
Composizione sostituenti
Finora si conoscono più di ottanta isomeri, in
maggioranza idrofili, anche se i più diffusi sono
sei: la MC-LR, la MC-RR con i diversi epimeri, la
MC-YR, la MC-LA, MC-LF e la MC-LW.
Nome
Z
X
Microcistina LR
Arg
Leu
Microcistina RR
Arg
Arg
Microcistina YR
Arg
Tyr
Un caso di studio: il Lago di Pusiano
1972: Cripto - Cloro
1988: Cripto - Cloro
2002: P. rubescens
1994: M. aurogenosa
2003: Cloro
P. rubescens
Un’altra forzante: l’aumento della temperatura
8
La temperatura alla circolazione
mostra un aumento medio di
circa 0.2°C per decennio
in linea con l’andamento di altri
laghi sud alpini e con simulazioni
modellistiche
7
°C
6
5
4
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
3
La dinamica di P. rubescens: 2002-2010
La specie è risultata dominante eccetto per il 2003 e parte del 2004.
In genera mostra un picco autunnale che, in talune circostanze può
perdurare per tutta la primavera
La dinamica di P. rubescens nel 2010
Il periodo dicrescita autunnale è quindi un momento delicato dove P. Rubescens si
gioca la possibilità di una presenza consistente nella stagione successiva
Il Lago Occhito
lo strano caso del dottor Jekyll e del signor Hyde
Il Lago Occhito: inquadramento
Caratteristiche tecniche e morfometriche
Variabile
Valore
Unità di
misura
Superficie del bacino imbrifero
1012
km2
Superficie del lago
13,74
km2
Volume totale del invaso
333,35 x 106
m3
Quota di massimo invaso
198
m s.l.m.
La fioritura del 2009
salinità
P. rubescens
Durante la fioritura i valori di clorofilla (anche > 40 µg/l) e fosforo totale (anche > di
60 µg P/l) collocavano l’ambiente in una chiara condizione eutrofica. I valori di fosforo
totale misurati nel 2010 e nel 2011 (20 – 30 µg P/l ) sembrano invece collocare
l’ambiente più verso una condizione mesotrofica come nel biennio 1984-85
La dinamica di P. rubescens
Dopo la fioritura dell’inverno
2008 che si è
protratta per tutta la primavera
del 2009 la
Popolazione si è rifugiata nel
salto termico. Nell’autunno del
2009 la popolazione di P.
rubescens
non è riuscita a raggiungere
gli stessi valori di biomassa
dell’anno precedente.
Nel 2010 si è assistito a uno
spostamento verso un
popolamento più diversificato
con una dominanza di diatomee
in primavera.
I ricambio delle acque autunnali
ha probabilmente giocato un
ruolo rilevante
Relazione tra biomassa algale e produzione di microcistine
35
30
Lago Occhito
R² = 0.9601
Endo-MC (µg/l)
Endo
25
Lago di Pusiano
(R² = 0.6157)
20
15
10
5
0
0
10
20
Chl-a (µg/l)
30
40
Sebbene molti studi sottolineino la mancanza di una relazione tra biomassa algale
e produzione di microcistine , i dati raccolti sui due ambienti di studio suggeriscono
che in alcune circostanze sia presente una relazione tra le due variabili. Tali
relazioni sebbene specie e sito specifiche possono rappresentare una importante
punto di partenza per l’attivazione di indagini di dettaglio
Alcune considerazioni sulla fioritura del 2008-2009
Le concentrazioni di microcistine durante la fioritura
ha raggiunto valori preoccupanti
per l’uso potabile con punte superiori a 30 µg/l e
potenzialmente anche per la balneazione
Per quanto riguarda la rete irrigua, sebbene non esistano
Riferimenti legislativi, i dati di letteratura suggeriscono che una
concentrazioni al di sotto dei 40 µg/l si possano ritenere
cautelative
I dati raccolti nella rete di irrigazione, sempre inferiori a
10 µg/l consentono di ritenere
che non vi siano stati rischi legati alla distribuzione delle acque
del lago nella rete irrigua
Alcune considerazioni conclusive
È molto probabile che le fioriture di cianobatteri siano favorite
dai cambiamenti climatici e particolarmente dall’aumento della
temperatura
Alcune specie tra cui P. rubescens trovano anche condizioni
migliori per la crescita a livelli trofici relativamente bassi (mesoeutrofia)
L’aumento della temperatura della temperatura potrebbe
favorire P. rubescens attraverso due vie: rendendo più stabile la
nicchia metalimnetica dove la specie si rifugia d’estate e
consentendole di crescere anche in inverno in anni miti
Repentine riduzioni del tempo di ricambio delle acque,
soprattutto nella fase di crescita autunnale rappresentano un
fattore di crisi per la specie
Grazie per l’attenzione ……….
Conclusioni
• La fioritura algale rilevata nell’aprile 2009 nel lago è
risultata per il 90% (biovolume) costituita dalla cianoficea
P. rubescens che si collocava nei primi 5 m di profondità ;
• Per il 95% le microcistine sono risultate presenti nella
componente endocellulare;
• Nonostante gli elevati valori di biovolume misurati,
l’impatto della fioritura sulla sulla rete irrigua è risultato
limitato e le concentrazioni di microcistine sono risultate
sempre inferiori a quelle del lago;
• Nei saggi biologici non è mai stato osservato alcun
effetto tossico acuto;
• Non si può tuttavia escludere un rischio cronico.
1972: Cripto - Cloro
1988: Cripto - Cloro
2002: P. rubescens
1994: M. aurogenosa
2003: Cloro
P. rubescens