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Modelling biota-sediment interactions in estuarine environments
Cozzoli, F. (2016). Modelling biota-sediment interactions in estuarine environments. PhD Thesis. Radboud Universiteit: Nijmegen. ISBN 978-94-6295-433-5. 140 + appendices pp. hdl.handle.net/2066/155836

Thesis info:

Available in  Author 
Document type: Dissertation

Keywords
    Marine; Brackish water; Fresh water

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Abstract
    L’interazione reciproca tra elementi biotici ed abiotici può avere un ruolo significativonella formazione del paesaggio. Questo ruolo è particolarmente rilevantenegli ambienti sedimentari, dove i processi fisici coinvolti nella formazionedel paesaggio (principalmente erosione, trasporto e deposizione del sedimento)agiscono su scale energetiche, spaziali e temporali che sono compatibili conquelle dei processi biologici. Mentre è attualmente possibile simulare con buonaapprossimazione le dinamiche sedimentarie su base fisica, l’influenza degli elementibiologici è ancora difficili da predirre. Il macrozoobenthos costituisce unpunto cardine tra lo stato ecologico e lo stato morfologico dell’ambiente estuarino.Da un lato la distribuzione del macrozoobenthos dipende da costrizionifisiche. Dall’altro lato, l’alterazione delle dinamiche di trasporto del sedimentoda parte degli ecosystem engineers bentonici può modificare lo stato fisico deglihabitats. Spesso gli ecosystem engineers sono in grado di modificare le condizioniambientali rilevanti per la loro fitness e per quella delle organismi che necondividono l’habitat.In questa tesi di dottorato sono stati investigati entrambi i lati della reciprocainterazione tra sedimento e biota. Da un lato la distribuzione delle speciebentoniche è stata modellata sulla base delle variabili fisiche coinvolte nel trasportodel sedimento. Dall’altro lato, l’effetto di differenti specie benthonichesull’ erodibilità del sedimento è stato misurato sperimentalmente. Infine, i duepunti sono stati integrati per modellare l’effetto potenziale del macrozoobenthossull’ erosione del sedimento in un contesto realistico: i bacini del Westerscheldee Oosterschelde (Paesi Bassi).Presenza degli ecosystem engineers: modelli di distribuzione dellespecie. In questa tesi è stat presentata una metodologia per predire accuratamentel’abbondanza delle specie macrozoobenthiche sulla base di modelli fisici(DELFT3D e TELEMAC). Questa metodologia permette di stimare il potenzialeimpatto di cambiamenti, naturali o antropiche, della morfologia estuarina.Può essere usata in maniera predittive se applicata a scenari fisici futuri (simulati)o puó essere applicata per ricostruire l’evoluzione dell’ecosistema benSommariotonico sulla base di dati storici. Applicando questa metodologia ai bacini delWesterschelde e Oosterschelde, abbiamo mostrato che un incremento in energiaidrodinamica nel sistema può avere effeti negativi sulla qualitá degli habitatsbenthonici, mentre un decremento in energia idrodinamica (come nell’Oosterschelde)può avere effetti positivi, specialmente sugli habitat permanentementesommersi.Effetto degli ecosystem engineers: parametrizzazione empirica dimodelli allometrici. L’effetto di alcune comuni specie di bioturbatori sull’erosionedel sedimento è stato quantificato al variare di diversi parametri biologici(specie, comportamento, mole individuale, abbondanza) e fisici (velocità di corrente.).Abbiamo osservato che, mentre alcuni fattori (abbondanza, interazionecon lo stress idrodinamico) agiscono in maniera specie-specifica, differenti tipologiedi bioturbatori presentano un comune esponente di scala nella relazionetra il loro effetto ingegneristico (incremento della sospensione di sedimento) eloro mole individuale. La mole corporea è uno dei tratti più caratteristici degliorganismi, al punto che differenti teorie macro-ecologiche sono basate suitassi di scala delle attivitá individuali con la mole corporea. Di conseguenza,le nostre osservazioni possono essere facilmente interpretate nell’abito di teorieecologiche piu vaste (i.e. The Metabolic Theory of Ecology) e permettono di generalizzareil concetto di ecosystem engineering su scala macroecologica. Le nostreosservazioni descrivono un processo ecologico ma sono basate su parametrifisici. Possono essere quindi utilizzate per parametrizzare modelli semi-empiricidelle dinamiche sedimentarie sotto l’influenza di componenti biologiche.Integrazione. Una volta che sono stati forniti di descrizione semi-empirichedei processi ecologici, i modelli fisici delle dinamiche sedimentarie possono essereusati per estrapolare la quantificazione delle interazioni tra trasporto delsedimento e biota ad un contesto a larga scala (l’intero estuario). L’integrazionedi conoscienze ecologiche nei modelli di trasporto del sedimento presenta ildoppio vantaggio di 1) fornire previsioni simultanee sull’evouzione ecologica emorfologica dei bacini sedimentari e 2) includere esplicitamente l’effetto del macrozoobenthossulle dinamiche sedimentarie. Applicata alla evoluzione recente(ultimi 50 anni) del Westerschelde e Oosterschelde, la nostra analisi mostra chela correlazione inversa tra velocità di corrente e biomassa dei bioturbatori difatto porta ad una inversione della relazione (di per se positiva) tra biomassadei bioturbaturbatori e effetto realizzato sull’erosione del sedimento. Mentrela nostra analisi e specificatamente orientata su processi di ecosystem engineering,l’approccio da noi sviluppato è virtualmente applicabile all quantificazionedi ogni tipo di attività e prestazioni ecologiche legate alla distribuzione degliorganismi.

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