Diatomee e il ruolo della biodiversità nella stabilità degli ecosistemi

Le diatomee

Le diatomee (classe Bacillariophyceae) sono una delle più importanti classi di microalghe in ambiente marino e di acqua dolce. Unicellulari ed eucariotiche, posseggono generalmente dimensioni molto ridotte (da 5 a 700 µm).

Come le altre alghe, le diatomee sono organismi autotrofi, in grado quindi di svolgere la fotosintesi. Consumando anidride carbonica, producono l’ossigeno necessario per la respirazione di tutti gli organismi acquatici e terrestri (producono circa il 25% di tutto l’ossigeno immesso in atmosfera).

Differenti specie di diatomee: centriche e pennate. — *Figura 1 – Diatomee viste al microscopio [Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diatoms.jpg]*

Le diatomee possono vivere isolate o formare colonie. Queste alghe microscopiche, popolano i diversi habitat con generi e specie differenti a seconda delle caratteristiche chimico-fisiche, idrologiche e geografiche dell’ambiente.

Aggregandosi tra loro e associandosi ai diversi substrati acquatici, portano alla formazione del biofilm. Per consentirne lo studio, il biofilm viene rimosso tramite ausili meccanici come raschietti, spazzole a setole rigide o tamponi. Insieme a cianobatteri, funghi, detriti e altre specie algali caratterizzano il periphyton, la microflora che si sviluppa su qualsiasi tipo di substrato acquatico.

Struttura e caratteristiche principali

Le diatomee sono prive di flagelli, caratterizzate da una tipica parete detta frustolo, costituito principalmente da silice amorfa idrata e altri componenti organiche. Il frustulo è formato da due parti distinte dette teche o valve, di cui quella superiore (epivalva) è più grande e ricopre quella inferiore (ipovalva). Sulla faccia valvare possono essere presenti pori, perforazioni o fessure (rafe), la cui struttura e posizione rappresentano importanti caratteri sistematici.

Le diatomee vengono tradizionalmente suddivise in:

Diatomee centriche: tipicamente planctoniche, dotate di simmetria raggiata, assenza di rafe, con forma circolare, ovale, triangolare o quadrata.
Diatomee pennate: principalmente bentoniche, caratterizzate da valve a simmetria bilaterale, presenza di rafe, con forma ellittica, bastoncellare o a navetta. Queste sono a loro volta distinte in arafidee (prive di rafe), monorafidee (rafe su una sola valva) e birafidee (rafe su entrambe le valve).

Per quanto riguarda l’apparato fotosintetico, le diatomee posseggono cloroplasti avvolti da quattro membrane, e questi possono essere singoli o numerosi. All’interno dello stroma, i tilacoidi sono impilati in gruppi di tre. I pigmenti fotosintetici sono costituiti da clorofilla e clorofilla-c (c1 e c2). Sono presenti anche pigmenti accessori tra cui il β-carotene e alcune xantofille, tra cui la più importante è la fucoxantina che conferisce un colore brunastro. Le diatomee sono generalmente caratterizzate da un grande vacuolo che può occupare fino al 60% del volume cellulare. Il vacuolo serve principalmente da riserva di nutrienti, tra cui la crisolaminarina (β-1,3 glucano), una delle sostanze di riserva principali.

Le diatomee come bioindicatori

Con il termine bioindicatore, si intende un organismo o sistema biologico particolarmente sensibile ai cambiamenti indotti da fattori inquinanti all’ecosistema in cui vive.

L’utilizzo delle diatomee come indicatori biologici è una pratica ormai ben consolidata. Le diatomee bentoniche vengono considerate ottimi indicatori delle acque, perché sono ubiquitarie e la loro tassonomia è ben documentata. Inoltre, sono molto sensibili alle variazioni dei parametri chimici e fisici del mezzo ambiente, reagendo rapidamente ai cambiamenti ambientali. Infine, sono completamente immerse in acqua, fisse al substrato e facili da campionare.
La metodologia di analisi si basa sull’osservazione che tutte le specie di diatomee presentano dei limiti di tolleranza e valori ottimali rispetto alle condizioni ambientali in cui vivono. La concentrazione di nutrienti, il livello di acidità, l’inquinamento e altri numerosi parametri determinano quindi la distribuzione e l’abbondanza delle varie specie nei diversi habitat.

Gli inquinanti presenti negli ambienti acquatici alterano l’ecosistema, e sono in grado di modificare la composizione e la diversità delle comunità di diatomee bentoniche.

Biodiversità e servizi ecosistemici

La biodiversità può essere definita come il numero, l’abbondanza e la composizione delle specie, nonché la loro distribuzione spaziale e le differenze nei loro tratti funzionali.
I cambiamenti nella biodiversità alterano le funzioni degli ecosistemi, come la produzione primaria o secondaria, e in definitiva i servizi che forniscono agli esseri umani. I servizi ecosistemici, ovvero i servizi forniti dagli ecosistemi agli esseri umani, hanno un ruolo fondamentale nella società, perché gli ecosistemi sostengono la vita e tutte le attività umane nel loro complesso.

Pertanto, per gestire e “mantenere in salute” gli ecosistemi è fondamentale quantificare e comprendere la relazione esistente tra la biodiversità e le funzioni ecosistemiche.

Approccio PICT (Pollution-induced community tolerance)

Una delle principali sfide nella valutazione del rischio ambientale causato dagli inquinanti, è stabilire una relazione causale tra l’esposizione “in situ” e gli effetti sulle comunità di organismi. Questa relazione deve integrare all’effetto sulla singola specie, anche la complessità strutturale e funzionale presente all’interno degli ecosistemi.

Tuttavia, la maggior parte dei “diatom-based index” sono formulati sulla base della presenza, assenza o abbondanza relativa dei diversi taxa di diatomee in un campione. Questi valori sono quindi inseriti in una formula che varia da indice ad indice, ma che comunque esprime un valore numerico, indicante l’ipotetico stato dell’ambiente in esame.

L’approccio PICT permette invece di valutare se gli inquinanti esercitino o meno una pressione selettiva sull’intera comunità diatomica. Il PICT (Fig. 2) consta di due fasi distinte: la a) “selection” e la b) “detection”.

Durante la prima fase, sotto l’esposizione delle diatomee agli inquinanti, si verificano selezioni inter e intra-specifiche, che portano alla ristrutturazione della comunità, per scomparsa di specie sensibili e dominanza di specie tolleranti.

Nella seconda fase, che avviene in laboratorio, sono misurate le risposte delle diatomee agli “endpoint biologici”, utilizzando concentrazioni crescenti dell’inquinante di interesse. In questo modo è possibile costruire curve di “concentrazione-risposta” per la comunità di riferimento (A) e per quella selezionata (B).

La tolleranza viene successivamente espressa come concentrazione efficace (EC_x). La differenza tra i valori EC_x ottenuti per entrambe le comunità in esame consente la quantificazione del PICT. Parallelamente alle misurazioni della tolleranza, viene valutata la composizione di entrambe le comunità e confrontata per confermare l’ipotesi della selezione intra e inter-specifica.

Le due fasi dell’approccio PICT: a) “selection phase”, b) “detection phase”, in cui si valutano gli effetti sulla comunità di riferimento ("A") e la comunità selezionata ("B") — Figura 2 – Le due fasi dell’approccio PICT: a) “selection phase”, b) “detection phase”, in cui si valutano gli effetti sulla comunità di riferimento (“A”) e la comunità selezionata (“B”).

Conclusione

Una comprensione approfondita dei processi che determinano la tolleranza delle comunità, indotta da sostanze inquinanti, può permettere di identificare il ruolo della biodiversità nella stabilità dell’ecosistema, quando questo si trova sotto gli effetti dei disturbi antropici.

L’approccio PICT possiede quindi il potenziale per rilevare se un inquinante ha portato o meno alla scomparsa di specie sensibili in una comunità, e quindi ne ha accresciuto la tolleranza, aumentando la presenza delle specie più resistenti. Questo approccio può integrare le valutazioni sullo stato ecologico e chimico-fisico degli ecosistemi, conferendo una maggiore rilevanza agli indici e agli strumenti attualmente utilizzati.

Fonti:

https://www.isprambiente.gov.it/it/banche-dati/banche-dati-folder/acque-interne/atlante-dellediatomee-bentoniche-dei-corsi-dacqua-italiani/informazioni-generali-1/cosa-sono-le-diatomee-1;
Ahmed Tlili, Annette Berard, Hans Blanck, Agnes Bouchez, Fernanda Cássio, Karl Martin Eriksson, Soizic Morin, Bernard Montuelle, Enrique Navarro, Cláudia Pascoal, Stephane Pesce, Mechthild Schmitt-Jansen, Renata Behra, Pollution-induced community tolerance (PICT): towards an ecologically relevant risk assessment of chemicals in aquatic systems. Freshwater Biology (2016) 61, 2141-2151;
https://it.wikipedia.org/wiki/Bacillariophyceae.

Crediti immagini:

Figura 1: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diatoms.jpg;
Figura 2: Ahmed Tlili, Annette Berard, Hans Blanck, Agnes Bouchez, Fernanda Cássio, Karl Martin Eriksson, Soizic Morin, Bernard Montuelle, Enrique Navarro, Cláudia Pascoal, Stephane Pesce, Mechthild Schmitt-Jansen, Renata Behra, Pollution-induced community tolerance (PICT): towards an ecologically relevant risk assessment of chemicals in aquatic systems. Freshwater Biology (2016) 61, 2141-2151.