1.INTRODUZIONE
Lo studio di parametri abiotici, quali salinità, temperatura, ossigeno disciolto e nutrienti, di un ambiente marino permette la disamina di alcune caratteristiche ambientali e trofiche, se viene supportato dalla determinazione della concentrazione di clorofilla e dall’analisi quali-quantitativa delle comunità fitoplanctoniche.
1.1 Caratteristiche chimico-fisiche dell'ambiente marino:
salinità, temperatura, ossigeno disciolto e nutrienti.
L'acqua di mare contiene disciolte innumerevoli sostanze che possono essere raggruppate in cinque categorie (Pinet, 2000):
I) “Costituenti maggiori” o “ioni conservativi” : si tratta dei cationi sodio, potassio, magnesio, calcio e degli anioni cloro e solfato che essendo in concentrazioni elevate (g/Kg) rappresentano più del 99% di tutti i soluti presenti. Con bicarbonato, bromo, acido borico, stronzio e fluoro, in concentrazioni minori, la percentuale di costituenti maggiori disciolti raggiunge il 99,99%.
II) “Nutrienti”: sono composti di azoto e fosforo essenziali alla crescita degli organismi autotrofi, a cui si aggiunge il silicio utilizzato oltre che da alcuni autotrofi (diatomee) anche da alcuni eterotrofi (radiolari), capaci di costruire un guscio siliceo intorno alla propria cellula.
III) “Sostanze gassose”: azoto, ossigeno, anidride carbonica, idrogeno e gas nobili (argon, neon, elio). I livelli di O2 e CO2 sono fortemente influenzati dalla fotosintesi e
dalla respirazione.
IV) “Microcomponenti”: tutti gli altri elementi naturali come ferro, rame, zinco, vanadio, manganese, nichel, cobalto ecc., presenti come elementi in traccia.
V) “Composti organici prodotti dal metabolismo”: grassi, proteine, carboidrati, polipeptidi, amminoacidi, vitamine, ormoni, enzimi e sostanze ad azione antibiotica. Il livello di salinità, che esprime il peso in grammi di tutti i sali esistenti in un chilogrammo di acqua marina, subisce forti variazioni nei golfi e nei mari chiusi per effetto dell’evaporazione e presso le coste in corrispondenza delle foci dei fiumi. Il modo in cui varia dipende principalmente dal bilancio tra evaporazione e precipitazioni e dall’entità del mescolamento tra acque superficiali e acque profonde che a loro volta determinano il tasso al quale le sostanze inorganiche pervengono al mare, per poi essere rimosse per sedimentazione o restituite all’atmosfera.
I valori di salinità tipici delle acque superficiali del Mar Ligure sono generalmente elevati, ovvero circa 37,9 – 38,5 ‰ (“Il mare delle Cinque Terre”, ENEA-CNR).
In un studio idrologico un altro importante parametro da analizzare è la temperatura i cui range sono correlati sia alla latitudine che alle condizioni climatiche delle vicine aree continentali. Variazioni di temperatura sono dovute anche al ciclo stagionale ed all’alternarsi del giorno con la notte, mentre le condizioni meteomarine possono determinare variazioni a scala locale di una certa ampiezza. Lungo la colonna d'acqua la diminuzione della temperatura è di regola rapida per i primi 50-100 metri, smorzandosi mano a mano che aumenta la profondità. Questo andamento assume un profilo verticale caratteristico che porta all’individuazione di tre strati: uno strato superficiale mescolato che risente degli effetti diretti dell’irraggiamento solare; il termoclino permanente ovvero quella zona di transizione caratterizzata da una rapida diminuzione di temperatura la cui profondità e spessore subiscono variazioni a seconda della latitudine, della longitudine, della stagione e delle condizioni ambientali locali ed una zona profonda con temperature pressoché costanti attestate in Mediterraneo sui 12,80 C (Cognetti et al., 2002).
La disponibilità di ossigeno è un fattore importante nelle dinamiche dei processi ciclici che si innescano nel dominio marino, correlato alla produzione fotosintetica, a fenomeni di scambio con l’atmosfera e a mescolamenti verticali delle masse d’acqua. Il
contenuto di ossigeno nelle acque è dato da un bilancio tra l’ossigeno atmosferico disciolto e l’ossigeno prodotto e consumato dall’attività metabolica degli organismi marini. In Mediterraneo osserviamo profili tipici di saturazione delle acque con una brusca caduta del contenuto di ossigeno disciolto al di sotto dello strato eufotico, definito come quello strato in cui penetra l’1% della radiazione solare incidente, ovvero sino ai 100- 150 metri di profondità per acque limpide. La zonazione verticale dell’ossigenazione presenta spesso un andamento opposto rispetto ai sali nutritivi di azoto e fosforo, per cui al minimo di ossigeno può corrispondere il massimo di nitrati e fosfati prodotti dall’ossidazione batterica (Clarke, 1967).
L’azoto ed il fosforo sono elementi fondamentali per la produzione primaria di sostanza organica e possono essere considerati fattori biolimitanti dal momento che la loro disponibilità condiziona la produzione biologica delle acque superficiali. In particolare gli oceani sono poveri di fosfati che si trovano ad essere praticamente compresi in un circolo quasi chiuso tra gli organismi viventi in superficie ed i loro resti o derivati mineralizzati sul fondo, mentre i composti azotati, oltre che dalla sedimentazione come i fosfati, provengono dai continenti e anche dall'atmosfera. Il silicio ed i silicati, dilavati in maniera massiccia dalle masse continentali, derivano dalla decomposizione dei minerali argillosi e precipitano sul fondo in quantità cospicua. In ambiente costiero il livello di azoto e di fosforo deriva principalmente dal carico antropico (Dauvin, 1997), mentre il silicio è piuttosto indipendente dalle attività umane e deriva dal materiale terrigeno portato a mare dai corsi d’acqua dolce e dal riciclo in mare aperto.
L’elemento azoto è presente in mare come gas disciolto - azoto molecolare (N2) e
ossido nitroso (N2O) – ed in forma ionica: ammonio (NH4+), nitrato (NO3-), nitrito
(NO2-) e come azoto organico in soluzione, ma sotto forma di nitrato costituisce la
La chimica del fosforo in ambiente marino è relativamente meno complicata: la forma principale di fosforo inorganico disciolto è l’ortofosfato (PO43-), indicato usualmente
come fosfato.
La concentrazione dei nutrienti è notevolmente variabile in relazione ai gradienti verticale ed orizzontale, alla stagionalità ed alla localizzazione geografica. Le quantità di fosforo ed azoto disponibili nelle forme assimilabili, ovvero nitrati e fosfati, sono presenti in quantità limitate nella zona fotosintetica vicino alla superficie, dove maggiore è il consumo ad opera del fitoplancton, mentre tendono ad accumularsi a partire da profondità maggiori di 200 metri (Bethoux et al., 1992), dove si formano in seguito alla decomposizione batterica di sostanza organica. Contrariamente a quanto avviene per azoto e fosforo, l’attività mineralizzatrice batterica non sembra avere una diretta influenza sulla risolubilizzazione del silicio (Deevey, 1983).
Il gradiente orizzontale è dovuto principalmente all’apporto costante di nutrienti da parte dei fiumi che convogliano al mare acque raccolte dai bacini imbriferi a monte; in relazione a tale gradiente esistono di solito differenze notevoli tra il livello trofico della zona costiera e quello delle acque al largo.
E’ stato stimato che nel Mar Mediterraneo gli input di nutrienti dovuti all’ingresso di acque atlantiche ed agli apporti fluviali siano significativamente meno ingenti degli output dovuti alla sedimentazione ed alla perdita di acque levantine attraverso lo stretto di Gibilterra. Questo bilancio fa sì che il Mediterraneo sia un mare oligotrofico, con una produzione annua di 0,5 g/m2 di fosforo, mentre la produzione
primaria richiede 2 g P/m2/anno (Bethoux, 1981). Questo deficit viene risolto dal
rapido ricircolo del fosforo che assimilato dal fitoplancton poi, attraverso vari passaggi metabolici, viene rimineralizzato a fosfato. Tale riciclo può verificarsi durante i blooms fitoplanctonici almeno una dozzina di volte al giorno.
In ambito biologico è interessante studiare la disponibilità dei nutrienti che, insieme alla quantità di luce, rappresenta il principale fattore che condiziona concentrazione e composizione del fitoplancton e quindi l’entità della produzione primaria.
1.2 Fitoplancton
In ambiente marino il processo di fotosintesi clorofilliana è il più rilevante per la produzione autotrofa di sostanza organica, dovuta in misura modesta anche alla biosintesi prodotta da batteri chemiosintetici autotrofi. La maggior parte della sostanza organica viene sintetizzata entro la zona eufotica da parte di molte varietà del fitoplancton. Il fitoplancton è composto da microorganismi pelagici per lo più unicellulari a metabolismo autotrofo che utilizzano la luce quale fonte di energia per fissare il carbonio a partire da anidride carbonica, acqua e sali di fosforo ed azoto. L’autotrofia è possibile grazie alla presenza di pigmenti plastidici fotosintetici: clorofille, carotenoidi e biliproteine, capaci di convertire l’energia luminosa in energia chimica.
Le cellule fitoplanctoniche vivono in sospensione nella colonna d'acqua poiché hanno una densità vicina a quella dell'acqua di mare e sono spesso provviste di appendici ed ornamentazioni tali da ampliare la superficie portante del corpo e quindi la galleggiabilità senza aumentarne significativamente il peso specifico. La frazione più importante è rappresentata da alghe unicellulari quali le Diatomee, i Dinoflagellati ed i Fitoflagellati. Gli elementi unicellari possono essere a corpo nudo (Clamidomonadine, Criptomonadine, Crisomonadine) o rivestiti di piastre calcaree, spesso forniti di una gocciolina di grasso con funzioni di riserva e di galleggiamento, come i Coccolitoforidi, o muniti di guscio o frustulo di silice idrata, come le Diatomee.
Queste cellule vegetali microscopiche, a volte riunite a formare catene filamentose, sono generalmente considerate il primo anello della catena alimentare e costituiscono il cibo dello zooplancton erbivoro e di alcuni piccoli pesci, che a loro volta sono preda del necton, composto da attivi predatori. A causa della scarsa penetrazione della luce nell’acqua di mare, il fitoplancton si concentra prevalentemente nello strato eufotico che nel Mediterraneo non supera i 100-200 metri superficiali. Nelle zone temperate, durante l’estate, la stratificazione delle acque impedisce il ricircolo dei nutrienti
mentre d’inverno la turbolenza provocata dal maltempo e la condizione di omotermia della colonna d’acqua, in seguito alla scomparsa del termoclino, consentono la diffusione dei sali di azoto e di fosforo dagli strati profondi alla zona eufotica. Tuttavia il fotoperiodo invernale limita la produzione primaria che infatti presenta il massimo sviluppo nella stagione primaverile quando la disponibilità di nutrienti è combinata a favorevoli condizioni di intensità luminosa. Il ciclo stagionale del fitoplancton nei mari temperati risulta caratterizzato da un andamento di tipo bimodale con un picco di massimo primaverile dato dalla prima fioritura fitoplanctonica ed un secondo picco autunnale meno intenso. I due minimi sono localizzati alla fine dell’inverno in corrispondenza della minore irradianza ed alla fine dell’estate causa l’esaurimento graduale dei nutrienti. L’intero ciclo è inoltre correlato al trofismo dello zooplancton erbivoro, secondo anello della catena alimentare marina, attraverso l’attività di grazing sulla biomassa algale.
Lo sviluppo fitoplanctonico è caratterizzato in linea teorica dalla successione specifica di popolamenti algali che vanno a caratterizzare le diverse fasi del bloom in ambiente neritico (Cognetti et al., 2002). La fase iniziale, in corrispondenza del massimo annuale di produzione primaria, è rappresentata dal popolamento a Diatomee cui segue il popolamento a Coccolitoforidi, a sua volta soppiantato dalle Peridinee, ultima tappa dei popolamenti fitoplanctonici nei mari temperati. Di fatto la composizione e la quantità di fitoplancton è più variabile poiché durante il ciclo annuale la successione specifica può interrompersi e le diatomee possono tornare a prevalere creando una sovrapposizione di gruppi e specie in relazione alle condizioni chimiche e fisiche dell’ambiente. Generalmente nel Mar Ligure (Amori, 1989) i gruppi più consistenti di fitoplancton sono rappresentati dalle Diatomee seguite dalle Peridinee, dalle Coccolitoforidee e dai Silicoflagellati.
Tra le tante classificazioni proposte per il plancton, la distinzione basata sulla taglia dei suoi componenti individua più classi dimensionali rispetto alle quali gli organismi fitoplanctonici vengono inseriti nel nanoplancton (2-20 μm) e nel microplancton
(20-200 μm). Alla prima categoria appartengono Fitoflagellati e Coanoflagellati; alla seconda categoria appartengono Diatomee e Peridinee.
La sistematica distingue circa 5000 specie appartenenti a 500 generi ripartiti in 120 famiglie ed una quarantina di ordini. Vari autori (Chrétiennot-Dinet M.J., 1990; Rampi L., Bernhard M., 1978a; Rampi L., Bernhard M., 1978b; Rampi L., Bernhard M., 1981; Richard M., 1987; Sournia A., 1986) suddividono i principali gruppi fitoplanctonici in base a caratteri morfologici e biochimici (natura dei pigmenti clorofilliani). Il Thomas (Thomas R.C., 1997) distingue gli organismi relativamente alla presenza-assenza di flagelli. Le caratteristiche più importanti delle principali classi fitoplanctoniche sono riassunte nella seguente tabella:
Classe Dimensioni (μm) Tipo di guscio Clorofilla + pigmenti Forme non
flagellate Cianophyceae 1-6 guaina gelatinosa Chl a e c + ficocianina
Bacillariophyceae 20-200 siliceo Chl a e c + carotene e
xantofille
Forme flagellate o
Fitoflagellati Dinophyceae 20-200 cellulosico o forme nude
Chl a e c + carotene, piridina, fucoxantina e xantofille
Criptophyceae 2,5-50 cellule nude Chl a e c + ficoeritrine, ficocianine e xantofille
Raphidophyceae 10-50 cellule nude Chl a e c + carotenoidi
Crysophyceae 50-60 scaglie silicee o cellulosiche o
chitinose Chl a e c + carotenoidi
Dictiochophyceae 10-50 Scaglie cellulosiche o silicee; alcune specie lorica chitinosa o cellulosica
Chl a e c +
β-carotene e xantofille
Prymnesiophyceae <20 scaglie calcaree o organiche Chl a e c + xantofille e β-carotene
Euglenophyceae 20-100
strato citoplasmatico esterno
duro o elastico non cellulosico Chl a e b
Prasinophyceae-Haptophyceae 1-25 scaglie organiche Chl a e b
Chlorophyceae 5-50 forme nude o cellulosiche Chl a e b
Tabella 1.1 Suddivisione delle principali classi fitoplanctoniche (rielaborata da Cognetti et al., 1999 e Thomas R.C., 1997).
1.3 La circolazione marina
Il Mar Ligure è caratterizzato da un quadro della circolazione molto complesso, con frequenti vortici che producono oscillazioni delle masse d'acqua tali da condizionarne la salinità, la temperatura e la struttura sia come composizione nutrizionale sia nella tipologia dei popolamenti fitoplanctonici, con dominanza alternata di diatomee e dinoflagellati.
La circolazione superficiale al centro del bacino ligure è caratterizzata da un ben definito vortice ciclonico avente la forma di un'ellisse con l'asse maggiore orientato NE/SW ed acque che si muovono in senso antiorario, ovvero dirette da levante verso ponente (Astraldi et al., 1986). La maggior parte degli scambi tra il Mar Tirreno ed il Mar Ligure avviene attraverso il canale di Corsica (fra la Corsica e la Capraia) con acque più fredde e meno salate che scorrono lungo la costa a nord della Corsica e raggiungono la costa italiana approssimativamente fra la Versilia e le Cinque Terre. Lo stesso tratto di mare è interessato anche dalla corrente che dal Mar Tirreno è diretta verso Nord a temperatura e salinità più elevate. Circa la loro variabilità stagionale, dalla letteratura risulta che la corrente tirrenica più calda prevalga durante la stagione invernale e sia più debole nel periodo estivo, fino quasi ad arrestarsi, mentre il flusso della corrente più fredda è prevalente in primavera ed estate.
Nelle zone costiere, l'incontro delle due correnti, quella proveniente da nord della Corsica e quella tirrenica, forma la corrente ligure costiera che fluisce verso la Francia e raggiunge il Golfo del Leone. Nella zona di studio oggetto di questa tesi la circolazione superficiale è particolarmente frammentata da tante piccole strutture locali ed aree di ricircolazione dovute alla configurazione orografica, all'influenza del fondo ed all'incontro delle due differenti masse d'acqua aventi andamento parallelo alla costa (NW-SE), oltre che dall'eventuale influenza di apporti fluviali della costa toscana.
1.4 Definizione di fascia costiera
Il problema della definizione della fascia costiera, considerando l’estensione terrestre e quella marina da prendere in esame, è ampiamente dibattuto a livello mondiale.
Durante la Terza Conferenza internazionale del diritto sul mare (Montego Bay, 1982) è stata approvata la “Convenzione delle Nazioni Unite sul diritto del mare” sottoscrit-ta da un centinaio di paesi tra cui l’Isottoscrit-talia, che l'ha ratificasottoscrit-ta e resa esecutiva con la Legge 2 dicembre 1994, n. 689. Secondo quanto previsto dalla normativa, “la sovrani-tà dello Stato costiero si estende […] a una fascia adiacente di mare, denominata mare territoriale” (ex art. 2) ed “ogni Stato ha il diritto di fissare la larghezza del proprio mare territoriale fino a un limite massimo di 12 miglia marine “ a partire dalla linea di bassa marea lungo la costa (ex artt. 3 e 5).
Vengono riconosciute le acque interne (baie e golfi) e le acque di altura (“zona conti-gua”) entro 24 miglia nautiche di ampiezza dalla linea di base da cui si misura la lar-ghezza del mare territoriale (ex artt. 10 e 33).
Inoltre (ex art. 76) “la piattaforma continentale di uno Stato costiero comprende i fondi marini e il loro sottosuolo al di là del suo mare territoriale, per tutta l'estensio-ne del prolungamento naturale del territorio di questo Stato, fino al bordo esterno del margine continentale o fino a una distanza di 200 miglia marine dalle linee di base dal-le quali si misura la larghezza del mare territoriadal-le, nel caso che l'orlo esterno del margine continentale si trovi a una distanza inferiore”.
Generalmente il limite terrestre della zona costiera spesso coincide con lo spartiacque dei bacini i cui fiumi defluiscono in mare ed il limite marino arriva fino all'estremo inferiore della piattaforma continentale, teoricamente posto alla batimetrica dei 200 metri, secondo quanto recepito dalle nuove legislazioni ambientali in materia di tutela delle acque sia italiana (D. Lgs. 152/99) sia europea (Dir. 2000/60/CE), che richiedono
1.5 Scopo della tesi
L’indagine conoscitiva sullo stato delle acque marino-costiere è finalizzata alla raccolta ed elaborazione di dati sulle caratteristiche fisiche, chimiche e biologiche e sulla stima degli effetti dell’attività antropica in modo da poter affrontare razionalmente il problema dell’uso e della gestione delle risorse della fascia costiera. In questo contesto si inquadra la campagna oceanografica denominata “MARMES”, effettuata tra il 13 ed il 15 settembre 2005, allo scopo di caratterizzare la zona costiera prospiciente il litorale compreso tra Marina di Carrara e Punta Mesco (da cui l’acronimo “MARMES”) tramite l'acquisizione di dati idrologici e l'effettuazione di misure biologiche e chimico-fisiche.
Gli obiettivi di questo studio sono:
- determinazione dei principali parametri fisico-chimici delle acque (temperatura, salinità, ossigeno disciolto, densità, fluorescenza, clorofilla a) e loro andamenti spaziali entro la zona eufotica;
- determinazione della concentrazione dei nutrienti (nitrati, fosfati, silicati e nitriti) e loro andamenti spaziali entro la zona eufotica;
