Diversity and dynamics of sponge microbiomes under ocean acidification: insights from natural CO₂ vents and reciprocal transplant experiments

Marine sponges are key benthic organisms whose ecological success is closely linked to their associated microbial communities. This thesis investigated the microbiome responses of three Mediterranean HMA demosponges, Chondrosia reniformis, Petrosia ficiformis, and Chondrilla nucula, inhabiting natural CO₂ vents off Ischia Island. By comparing wild populations under ambient and reduced pH with in situ transplants, this work explored long-term acclimatization and short-term responses. Species-specific transplantation protocols were optimized to ensure survival of the three sponges and experimental reliability. Then, 16S rRNA gene metabarcoding was used to characterize sponge-associated and seawater microbial communities. Results showed that sponge microbiomes were distinct from seawater and structured by host identity but each species displayed different degrees of stability and plasticity under acidified conditions. Chondrosia reniformis exhibited a highly stable microbiome, with acidification inducing only fine-scale shifts within a conserved core. Petrosia ficiformis showed greater flexibility, but short-term responses were strongly constrained by donor identity and source-associated signatures. In C. nucula, light availability emerged as the main driver of microbiome reorganization, while low pH modulated this response, promoting shifts from photosymbiosis-related taxa toward lineages potentially linked to nitrification and chemoautotrophy. Overall, sponge holobiont resilience appears to rely not on extensive microbial replacement, but on species-specific rearrangements of resident symbionts within persistent host-associated frameworks.

Le spugne marine sono organismi bentonici chiave, il cui successo ecologico è strettamente legato alle comunità microbiche ad esse associate. Questa tesi ha analizzato le risposte del microbioma di tre demosponge HMA mediterranee, *Chondrosia reniformis, Petrosia ficiformis* e *Chondrilla nucula*, presenti presso le sorgenti naturali di CO₂ dell’Isola d’Ischia. Attraverso il confronto tra popolazioni naturali esposte a condizioni di pH ambientale e ridotto e trapianti *in situ*, sono state investigate sia l’acclimatazione a lungo termine sia le risposte a breve termine. Sono stati inoltre ottimizzati protocolli di trapianto specie-specifici per garantire la sopravvivenza delle tre specie e l’affidabilità sperimentale. Successivamente, il metabarcoding del gene 16S rRNA è stato utilizzato per caratterizzare le comunità microbiche associate alle spugne e all’acqua di mare. I risultati hanno mostrato che i microbiomi delle spugne erano distinti da quelli dell’acqua circostante e strutturati dall’identità dell’ospite, ma ciascuna specie presentava differenti livelli di stabilità e plasticità in condizioni acidificate. *C. reniformis* mostrava un microbioma altamente stabile, con variazioni limitate all’interno di un core conservato. *P. ficiformis* presentava una maggiore flessibilità, ma le risposte a breve termine erano fortemente condizionate dall’identità del donatore e dalle caratteristiche del sito di origine. In *C. nucula*, la disponibilità di luce rappresentava il principale fattore di riorganizzazione del microbioma, mentre il basso pH modulava tale risposta, favorendo il passaggio da taxa legati alla fotosimbiosi a linee microbiche potenzialmente coinvolte nella nitrificazione e nella chemoautotrofia. Nel complesso, la resilienza dell’olobionte sembra basarsi non su un’ampia sostituzione microbica, ma su riorganizzazioni specie-specifiche dei simbionti residenti all’interno di strutture microbiche persistenti associate all’ospite.