Indirect effects of climate changes: role of ocean warming and acidification on the susceptibility to environmental contamination in marine organisms

Growing anthropogenic emissions of carbon dioxide are driving ocean warming and acidification, which represent a threat for marine ecosystems integrity. These changes may particularly affect marine organisms that are already coping with other stressors in the marine environment, as high levels of anthropogenic pollution in coastal areas. Changes of temperature and pH could influence inorganic pollutants speciation, bioavailability, bioaccumulation and biological effects in marine organisms. Despite the growing concern and the increased scientific literature available, possible effects of interactions of these multiple stressors are still poorly understood. The main objective of this research activity was to investigate the effects of concomitant higher temperature and reduced pH on the bioaccumulation of cadmium, as a typical inorganic pollutant, and on metal-induced biological effects, measured at low molecular and cellular level. Our aim was to elucidate possible differences in organisms from different ecosystems, in different species from the same ecosystem, in different seasons and tissues, and on different cellular mechanisms. In this respect, three bivalve species were chosen as model indicators species, namely the Antarctic scallop Adamussium colbecki, the Mediterranean mussel Mytilus galloprovincialis, and the smooth scallop Flexopecten glaber. A wide range of biological responses were analyzed in digestive gland and gills, including metal-binding proteins, single antioxidant defenses, total oxyradical scavenging capacity and accumulation of peroxidation products; immune system parameters and onset of genotoxic damages were also measured in haemocytes. Obtained results showed species-specific effects, with differences in organisms from ecosystems with different natural or anthropogenic pressure; seasonality represented an additional variable on organisms’ responsiveness largely influenced by metabolic and physiological features of various tissues. Overall, this work contributed to the growing knowledge on the effects of multiple stressors on the health status of marine organisms.

Le crescenti emissioni antropiche di anidride carbonica stanno causando il riscaldamento e l’acidificazione degli oceani, cambiamenti pericolosi per l’integrità degli ecosistemi marini. Questi cambiamenti potrebbero essere particolarmente dannosi per organismi esposti ad altri fattori di stress nell’ambiente marino, come gli alti livelli di contaminazione antropica nelle aree costiere: le future variazioni di temperatura e pH potranno influenzare la speciazione chimica dei contaminanti inorganici, la loro biodisponibilità, il bioaccumulo e gli effetti biologici negli organismi marini. Nonostante il crescente interesse della comunità scientifica, i possibili effetti delle interazioni di questi fattori di stress sono ancora poco conosciuti. Il principale obiettivo di questa attività di ricerca è stato quello di investigare gli effetti del concomitante aumento di temperatura e diminuzione di pH sul bioaccumulo di cadmio, scelto come contaminante inorganico modello, e sugli effetti biologici indotti dal metallo, misurati a livello molecolare e cellulare, valutando possibili differenze tra organismi provenienti da ecosistemi differenti, in specie differenti provenienti dallo stesso ecosistema, in differenti stagioni e tessuti, e su diversi meccanismi cellulari. A tal scopo, tre specie di bivalvi sono state scelte come specie indicatrici modello, il pettinide antartico Adamussium colbecki, il mitilo mediterraneo Mytilus galloprovincialis, e il pettine glabro Flexopecten glaber. Un ampio set di risposte biologiche è stato analizzato sulla ghiandola digestiva e sulle branchie degli organismi, tra cui metallotioneine, singole difese antiossidanti, capacità antiossidante totale e accumulo di prodotti della perossidazione lipidica, mentre negli emociti degli organismi sono stati analizzati parametri immunitari e di danno genotossico. I risultati ottenuti mostrano effetti specie-specifici, con differenze tra organismi provenienti da ecosistemi con diversa pressione naturale e antropica; la stagionalità rappresenta un’ulteriore variabile a carico della risposta degli organismi, largamente influenzata da caratteristiche metaboliche e fisiologiche dei vari tessuti. In conclusione, questo lavoro ha contribuito alla crescente conoscenza sugli effetti degli stress multipli sullo stato di salute degli organismi marini.