Global change impacts on marine biodiversity and ecosystem functioning: a comparison between mesocosm and in situ studies

Global climate change is threatening biodiversity, ecosystems functioning and human life. The oceans can help in moderating anthropogenic global change, but several stressors, such as temperature shifts, acidification, freshening, and hypoxia/anoxia are disrupting the good environmental status of marine systems. Scientific advances have unveiled the effects of single stressors, but the possible synergistical impacts of multiple-stressors remain largely overlooked, especially on benthic marine ecosystems. Moreover, current evidences are mostly based on the response of single species to short-term pertubation experiments. To help overcoming these limits, natural systems mimicking future climate change scenarios can be studied to understand the complex network of global change impacts. In the present work, we analyzed through laboratory experiments and in situ studies in natural model systems, the impacts of ocean acidification, deoxygenation, and multiple-stressors on the biodiversity and functioning of the marine ecosystems. Our studies were conducted from single species, such as Corallium rubrum, to complex communities such as the coralligenous, meiofauna and microbial assemblages. Our results highlight four key messages. First, higher biodiversity levels can partially mitigate ocean acidification's impact on benthic ecosystems. Second, impacts are evident either for calcifying (corals, coralline algae) and non-calcifying taxa (nematodes), with major shifts in the benthic assemblage composition. Third, seawater deoxigenation can alter the pelagic and benthic ecosystems functioning and biogeochemical cycles, by promoting chemoautotrophic processes and favouring the viral control of microbial assemblages. Fourth, the study of natural systems shows that the impact of temporary multiple stressors can be lower than that caused by one only but constant stressing factor.

I cambiamenti climtici minacciano la biodiversità, il funzionamento degli ecosistemi e la vita umana su scala globale. Gli oceani mitigano l'impatto dei cambiamenti globali dovuti alle attività umane, ma diversi fattori di stress, come variazioni di temperatura, acidificazione, scioglimento dei ghiacci e deossigenazione, minacciano i sistemi marini. Studi recenti hanno svelato impatti negativi dovuti a singoli fattori di stress, ma gli effetti sinergici di più fattori di stress concomitanti sono largamente sconosciuti, soprattutto per i sistemi bentonici marini. Inoltre, le attuali evidenze si basano principalmente su risposte di singole specie in esperimenti a breve termine. I sistemi naturali con condizioni ambientali simili a quelle previste dai modelli di cambiamento globale possono servire a studiare i possibili effetti dei cambiamenti climatici. Nella presente tesi, sono stati condotti esperimenti di laboratorio ed in situ in sistemi naturali modello, per valutare i possibili effetti dell' acidificazione, deossigenazione, e fattori contemporanei di stress su biodiversità e funzionamento degli ecosistemi marini. Questi studi sono stati condotti su singole specie (Corallium rubrum), e su comunità (di coralligeno, meiofauna e microbiche). I risultati ottenuti evidenziano 4 messaggi chiave. Primo, livelli più elevati di biodiversità possono mitigare l'impatto dell' acidificazione oceanica sugli ecosistemi bentonici marini. Secondo, gli impatti sono evidenti sia su organismi calcificanti (coralli e alghe coralline) che non (nematodi), con significativi cambiamenti di struttura di comunità. Terzo, la deossigenazione degli oceani può alterare il funzionamento degli ecosistemi pelagici e bentonici, promuovendo processi chemioautotrofi e favorendo il controllo virale sulle comunità microbiche. Infine, i sistemi naturali mostrano che l'impatto di più fattori di stress concomitanti ma intermittenti può essere inferiore a quello di un solo, ma costante, fattore di stress.