Response of phytoplankton communities to a changing Adriatic Sea: the over 30-year story of an eLTER marine area

The Northern Adriatic Sea (NAS), one of the most productive areas of the Mediterranean Sea, is undergoing changes as a result of meteoclimatic alterations and climate change-related phenomena. Phytoplankton communities have the capability of responding to changes in both biotic and abiotic parameters, oceanographic conditions and climate processes, due to the fast turnover and the high sensitiveness to environmental conditions. In this scenario, we are facing many changes in the phytoplankton community structure, dynamics and seasonal cycles, with potential consequences on the entire marine ecosystem and economic sea-related activities. The overall aim of the thesis was to elucidate the relationships between phytoplankton and both biochemical and oceanographic conditions of the NAS, alongside the effects of extreme climate events and ocean warming. In the first chapter, a 30-year dataset related to a Long-Term Ecological Research marine site (the Senigallia-Susak Transect) was analysed, unveiling important differences in terms of phytoplankton dynamics and functioning (species interactions) between a coastal and an offshore station, mainly related to the surface circulation and thus to the different trend of physico-chemical parameters. In the offshore station, the main component of phytoplankton community was represented by phytoflagellates. The seasonal cycle markedly differed from that in the coastal station, with a maximum in summer, mainly due to the allochthonous input of nutrients carried by low salinity waters expanding eastward, during stratification. In the second chapter, the investigation of the effects of extreme events (marine heatwaves) and ocean warming on phytoplankton biomass (chlorophyll-a) across the NAS, considering its different characteristics (i.e., circulation, depth and trophic conditions), highlighted negative correlations between increasing of Sea Surface Temperature and chl-a trends. Different correlations between chl-a and marine heatwaves in the different seasons and sub-areas of the NAS suggested that marine heatwaves are affecting phytoplankton biomass in different ways depending on the background conditions and the involved processes. In the third chapter, phytoplankton taxonomic composition of the eLTER Senigallia coastal station (in the NAS) obtained from microscopy and metabarcoding (using V4 and V9 regions of the 18S as markers, and PR2 and SILVA as databases) was compared, highlighting that the two methods should be combined to gain more detailed information on the community and to counteract the respective drawbacks. Indeed, only a small percentage of taxa was identified by all the approaches and, while metabarcoding revealed a previously unknown diversity, microscopy detected genera and species not revealed by metabarcoding, particularly among coccolithophores.

Il Nord Adriatico (NA), una delle aree più produttive del Mar Mediterraneo, sta subendo intensi cambiamenti, a causa delle alterazioni meteoclimatiche e dei fenomeni correlati al cambiamento climatico. Il fitoplancton ha la capacità di rivelare cambiamenti nei parametri biologici e chimico-fisici, nelle condizioni oceanografiche e nei processi climatici, grazie al rapido turnover e alla sensibilità alle condizioni ambientali. In questo contesto, le comunità fitoplanctoniche stanno subendo numerosi cambiamenti nella struttura, nella dinamica e nei cicli stagionali, con potenziali conseguenze sull'intero ecosistema marino e sulle attività economiche legate al mare. L’obiettivo generale della tesi è stato quello di analizzare le relazioni tra il fitoplancton e le condizioni biochimiche e oceanografiche del NA, insieme agli effetti degli eventi climatici estremi e al riscaldamento degli oceani. Nel primo capitolo, è stato analizzato un dataset di 30 anni relativo a un sito marino LTER (il Transetto Senigallia-Susak), rivelando importanti differenze in termini di dinamiche e funzionamento della comunità (interazioni tra specie) tra una stazione costiera e una al largo, principalmente legate alla circolazione superficiale e quindi al differente andamento dei parametri fisico-chimici. Nella stazione al largo le fitoflagellate dominavano la comunità fitoplanctonica. Il ciclo stagionale differiva da quello nella stazione costiera, con il massimo estivo principalmente legato all’ingresso alloctono di nutrienti dovuti all’apporto di acqua dolce proveniente dal Po, che si espande verso est in condizioni di stratificazione. Nel secondo capitolo, l’analisi degli effetti di eventi estremi (onde di calore) e del riscaldamento delle acque sulla biomassa del fitoplancton nel NA, considerando le sue diverse caratteristiche (i.e., circolazione, profondità e condizioni trofiche), ha evidenziato correlazioni negative tra l'aumento della temperatura superficiale del mare e i trend della clorofilla-a. Le diverse correlazioni tra la clorofilla-a e le onde di calore nelle diverse stagioni e sub-aree del NAS suggeriscono che le onde di calore stiano influenzando la biomassa del fitoplancton in modi diversi, a seconda delle condizioni e dei processi tipici delle diverse sub-aree. Nel terzo capitolo, è stata confrontata la composizione tassonomica del fitoplancton della stazione LTER costiera del transetto di Senigallia analizzata tramite microscopia e metabarcoding (utilizzando le regioni V4 e V9 del 18S, e i database PR2 e SILVA), mostrando come entrambi i metodi dovrebbero essere combinati per ottenere informazioni più dettagliate sulla comunità e per contrastare gli svantaggi di ciascun metodo. Infatti, è stato evidenziato che solo pochi taxa venivano individuati da tutti gli approcci e, mentre il metabarcoding ha rivelato una diversità finora sconosciuta, la microscopia ha identificato generi e specie non rivelati dal metabarcoding, in particolare tra i coccolitofori.