Un approccio funzionale per lo studio della biomagnificazione: analisi degli isotopi stabili per indagare il trasferimento dei contaminanti lungo le reti trofiche lacustri.

Lacustrine ecosystems are complex systems characterized by large temporal and spatial variability in biological as well as physico-chemical aspects (de Bernardi et al. 1988; Bertoni et al. 2004), in which it is important to know the relationships between the different organisms of the food webs, in order to ensure proper management of these environments. The variability may be accompanied by important seasonal changes in the relative positions of zooplankton taxa and fish in the food web, and in the role of primary and secondary consumers in the transfer of matter and energy along trophic food web. The stable isotope analysis is a useful tool to investigate the functionality of the different components of the lacustrine food web, to discriminate the different potential sources of nutrients and to study the trophic relationships between different organisms. The attention was posed in particular on the stable isotopes of nitrogen (δ15N) and carbon (δ13C) which highlight uniquely the complex interactions and also trace the flow of energy and matter that occur in lake’s ecosystems. Because diet is an important route of exposure to organic contaminants for animals (Thomann et al., 1984; Hall et al., 1997), the use of stable isotopes can be a powerful tool for ecotoxicologist to explain the variability in the concentrations of contaminants, analyzing food choices and biomagnification of animal populations. Identify the lake-specific function of the different species of organisms belonging to the zooplankton and fish seems therefore useful for better understanding the dynamics of contaminants through the food webs (Borgå et al., 2001; McIntyre and Beauchamp, 2007; Walters et al. , 2008; Banas et al., 2009; Jardine et al., 2006). This PhD work was intended to quantify the functional diversity of organisms belonging to the pelagic food web through stable isotope analysis of a large deep subalpine lake, Lake Como, and five other smaller lakes of the same geographical area. Furthermore, the results of the various components of the pelagic food web of Lake Como were compared with the results from Lake Maggiore’s monitoring campaign from the CIPAIS project (International Commission for the Protection of Italian-Swiss Waters). First, the zooplankton was characterized from the point of view of the functional diversity, for each taxon was calculated trophic position and were examined seasonal variations. Knowing in detail the diet behavior of the various components of the zooplankton and of two zooplanctivorous fish species, it was possible to identify and motivate some anomalies in the bioaccumulation of pollutants, as a result of changes in space and time of the various components of the community. The contamination of DDT and PCBs were quantified, the “old generation POPs” particularly persistent that despite being prohibited by time are still present in the environment; the chemical-physical characteristics of these contaminants give them a special ability to bioaccumulate in organisms and to move along the trophic food web of lakes. The contamination levels recorded for the zooplankton of Lake Como for DDT ranged from 120.1 ng g-1 lip. and 509.2 ng g-1 lip. while the total PCBs are between 175 and 7073.3 ng g-1 lip. The situation is different for the Lake Maggiore with higher values for DDT, between 181.9 and 1400.4 ng g-1 lip., and values ranging between 102.5 and 3052.4 ng g-1 lip. for total PCBs. The explanation for these differences is related to the history and evolution of the area surrounding the two basins and the different sources of pollution. The zooplankton organisms for their short life span, low ability of detoxification and high capacity of assimilation, were found to be more contaminated than their predators both for Lake Como that Lake Maggiore. This confirms the suggestion to use this group of organisms as an early sentinel of possible contamination of the pelagic zone of lakes. Gli ecosistemi acquatici lacustri sono sistemi complessi caratterizzati da ampia variabilità spazio-temporale sia dal punto di vista biologico sia da quello chimico-fisico (de Bernardi et al. 1988; Bertoni et al. 2004), nei quali è importante conoscere le relazioni che intercorrono tra i diversi organismi delle reti trofiche, al fine di garantire una corretta gestione di tali ambienti. La variabilità può essere accompagnata da importanti cambiamenti stagionali delle posizioni trofiche delle specie zooplanctoniche e dei pesci, nel trasferimento di massa ed energia lungo le reti trofiche ad opera dei consumatori primari e secondari. L’analisi degli isotopi stabili è un utile strumento per investigare dal punto di vista funzionale le varie componenti della rete trofica lacustre, discriminare le diverse potenziali fonti di nutrimento e consente di studiare le relazioni trofiche tra i diversi organismi. L’interesse è rivolto in particolare agli isotopi stabili di azoto (δ15N) e carbonio (δ13C) che evidenziano in modo univoco le interazioni anche complesse e permettono di tracciare i flussi di energia e materia che si verificano negli ecosistemi lacustri. Dal momento che la dieta è un’importante via di esposizione ai contaminanti organici per gli animali (Thomann et al., 1984; Hall et al., 1997), l’utilizzo degli isotopi stabili può diventare un potente strumento per gli ecotossicologi per spiegare la variabilità nelle concentrazioni dei contaminanti, analizzando le scelte alimentari e la biomagnificazione delle popolazioni animali. Identificare la funzione lago-specifica delle diverse specie di organismi appartenenti allo zooplancton e ai pesci pare quindi utile per una migliore comprensione delle dinamiche dei contaminanti attraverso le reti trofiche (Borgå et al., 2001; McIntyre e Beauchamp, 2007; Walters et al., 2008; Banas et al., 2009; Jardine et al., 2006). Con il presente lavoro di Dottorato si è inteso quantificare la diversità funzionale degli organismi appartenenti alla rete trofica pelagica attraverso l’analisi degli isotopi stabili di un grande lago profondo subalpino, il Lago di Como, e di altri cinque piccoli laghi appartenenti alla stessa area geografica. Inoltre, i risultati delle diverse componenti della rete trofica pelagica del Lago di Como sono stati confrontati con i risultati derivanti dalla campagna di monitoraggio del Lago Maggiore in ambito del progetto CIPAIS (Commissione Internazionale per la Protezione delle Acque Italo-Svizzere). Per prima cosa, è stata caratterizzata dal punto di vista funzionale la componente zooplanctonica, per ogni taxon è stata calcolata la posizione trofica e sono state esaminate le variazioni stagionali. Conoscendo in dettaglio i comportamenti alimentari delle varie componenti dello zooplancton e di due specie ittiche zooplanctofaghe, è stato possibile identificare e motivare alcune anomalie nel bioaccumulo degli inquinanti, come conseguenza dei cambiamenti nello spazio e nel tempo delle varie componenti della comunità. Dal punto di vista della contaminazione sono stati quantificati i DDT e i PCB, composti di vecchia generazione particolarmente persistenti che pur essendo vietati da tempo sono ancora presenti nell’ambiente; le caratteristiche chimico-fisiche di questi contaminanti conferiscono loro una particolare capacità di bioaccumulare negli organismi e di trasferirsi lungo le reti trofiche lacustri. I livelli di contaminazione registrati per lo zooplancton del Lago di Como per il DDT sono compresi tra 120,1 ng g-1 lip. e 509,2 ng g-1 lip. mentre i PCB totali sono compresi tra 175 e 7073,3 ng g-1 lip. Diversa è la situazione per il Lago Maggiore con valori maggiori per i DDT, compresi tra 181,9 e 1400,4 ng g-1 lip., e valori che oscillano tra 102,5 e 3052,4 ng g-1 lip. per i PCB totali. La spiegazione di tali differenze è legata alla storia e all’evoluzione del territorio circostante i due bacini e la diversa origine dell’inquinamento. Gli organismi zooplanctonici con cicli vitali particolarmente rapidi, scarsa capacità di detossificazione e forte capacità di assimilazione, sono risultati essere più contaminati dei loro predatori sia per il Lago di Como che per il Lago Maggiore. Si conferma quindi il suggerimento di utilizzare questo gruppo di organismi come bioindicatore precoce di una possibile contaminazione della zona pelagica dei laghi.