Macrofite come bioindicatori : analisi ecologica lungo il bacino del fiume Tevere e valutazione degli indici macrofitici

Abstract

Per la corretta valutazione e caratterizzazione di un ecosistema fluviale si ritiene oggi fondamentale utilizzare un approccio di tipo integrato tra metodologie chimico-fisiche e biologiche. La recente emanazione a livello europeo della Water Frame Directive (2000/60/CE) impone un innovativo aggiornamento delle metodiche analitiche e di classificazione dei corpi idrici. La WFD, infatti, attribuisce un’importanza prioritaria agli organismi viventi ritenendo che questi costituiscano gli indicatori più validi per definire lo stato ecologico delle acque superficiali e per valutare realmente lo stato di salute di un corpo idrico. Nell’ambito dell’attuazione della WFD diventa, quindi, prioritaria la messa a punto di nuovi descrittori biologici dei diversi livelli trofici dell’ecosistema. Infatti l’applicazione della WFD prevede l’analisi non solo delle comunità di macroinvertebrati bentonici, già inclusi nella precedente normativa nazionale (152/99), ma anche di quelle diatomiche, ittiche e macrofitiche. Da queste premesse nasce il presente progetto di ricerca riguardante in particolare lo studio ecologico della componente macrofitica che, comprensiva di fanerogame erbacee, macroalghe, briofite e pteridofite rinvenibili sia all’interno che in prossimità di corpi idrici, risulta sicuramente la meno indagata a livello nazionale. L’area oggetto di studio è il bacino del fiume Tevere, il secondo bacino idrografico per estensione in Italia ed identificato dalle istituzioni governative come bacino pilota per studi di tipo ecologici (Bagnini et al., 2005). Lungo il fiume Tevere e i suoi principali affluenti sono state selezionate, ai fini del campionamento macrofitico, 61 stazioni con caratteristiche morfologiche ed idrologiche differenti, per poter avere una maggiore eterogeneità di situazioni ecologiche. Ai fini delle elaborazioni e delle analisi floristiche ed ecologiche, oltre ai dati raccolti, sono stati considerati alcuni rilievi floristico-vegetazionali disponibili in letteratura (Caneva et al., 2005; Ceschin et al., 2008; Ceschin et al., 2009) inerenti ad alcuni corsi d’acqua del bacino oggetto di studio. I rilievi floristici sono stati affiancati da analisi chimico-fisiche delle acque; nello specifico per ogni stazione sono state misurate la temperatura, il pH, la conducibilità, la salinità e la concentrazione di ossigeno disciolto. Attraverso analisi spettrofotometriche si sono registrate, inoltre, le concentrazioni di fosfati, nitrati e ione ammonio, utili per valutare il grado di eutrofizzazione dei corsi d’acqua in esame. Sono stati inoltre analizzati attraverso un’osservazione diretta altri parametri ambientali come la torbidità, la velocità della corrente e la granulometria del substrato. III

La raccolta dei dati macrofitici assieme a quelli abiotici sopra menzionati è stata la base di partenza per poter intraprendere indagini più specificatamente ecologiche. I dati sono stati ordinati in una matrice ed elaborati secondo procedure di analisi statistica multivariata utilizzando metodi quali classificazione e ordinamento. Per alcune indagini di tipo esclusivamente ecologico è stato utilizzato anche l’approccio della teoria dei fuzzy set. Queste indagini hanno permesso di definire la nicchia ecologica delle specie macrofitiche e i loro ranges di compatibilità e di ottimizzazione in relazione ai gradienti dei fattori ambientali considerati. Sono state, quindi, elaborate curve di risposta ecologica per ogni specie relative a ciascuna delle variabili prese in esame. Le curve e i risultati ottenuti dalla classificazione e ordinamento dei dati hanno permesso di individuare quali specie possono essere utilizzate come indicatori biologici dello stato qualitativo delle acque. Queste specie possono essere considerate dei bioindicatori a tale scopo, in quanto risultano associate ad una ristretta gamma di valori dei fattori abiotici analizzati. E’ stato possibile osservare, pertanto, in acque fluenti, fresche, ossigenate, meso-oligotrofiche e in genere poco inquinate, la presenza caratteristica di specie come le alghe Lemanea fluviatilis, Nostoc punctiforme e Chamaesiphon conferviculus, le briofite Cratoneuron filicinum, Fissidens viridulus, Plagionium undulatum, Cinclidotus aquaticus, Plathypnidium riparioides e Pellia endiviifolia e infine le fanerogame Hippuris vulgaris, Elodea canadensis, Groelandia densa, Berula erecta f. fluitans, Mentha aquatica f. fluitans, Lemna trisulca e Ranunculus tricophyllus. Nei tratti fluviali, invece, caratterizzati da acque lente, poco ossigenate, eutrofiche ed inquinate si trovano in modo peculiare specie come le alghe Enteromorpha flexuosa, Stigeoclonium sp., Oscillatoria amphibia e le fanerogame Persicaria amphibia, Schoenoplectus lacustris, Eleocharis palustris, Potamogeton natans, Spirodela polyrhiza e Potamogeton pectinatus. Si evidenzia, in quest’ultima tipologia di acque, l’assenza totale di briofite sottolineando la sensibilità che questo gruppo tassonomico nel suo insieme mostra nei confronti di condizioni generali di inquinamento. Infine, sono stati testati sul set di dati raccolti alcuni dei principali indici macrofitici (MTR, GIS e IBMR), elaborati in ambito Centro europeo, al fine di valutarne l’adeguatezza e applicabilità ai corsi d’acqua del bacino in oggetto rientranti in un contesto più propriamente mediterraneo. Dai risultati emerge che questi indici, seppur mostrando una buona strutturazione metodologica, non riescono ad interpretare la vera condizione qualitativa dello stato trofico delle stazioni in oggetto; tali indici, infatti, non arrivano a discriminare in modo sensibile situazioni qualitativamente differenti. Appaiono, quindi, evidenti alcuni limiti di applicabilità di questi indici a contesti differenti da quelli di elaborazione, non solo per la scarsità di specie in comune, come nel caso dell’indice MTR, ma anche per problematiche di tipo tassonomico; si fa presente, infatti, che talvolta questi indici considerano bioindicatori solo a livello di genere, mentre come sottolineano anche i risultati emersi in questa indagine, è spesso necessario arrivare al rango di specie a causa delle diverse risposte che, a volte, possono esistere tra specie del medesimo genere. Inoltre confrontando le risposte autoecologiche ottenute nel presente studio con i coefficienti specie-specifici di sensibilità attribuiti dai diversi indici macrofitici alle specie in comune, si nota che l’informazione autoecologica non è talvolta coincidente, per alcune specie, come ad esempio Ranunculus trichophyllus e Myriophyllum spicatum, elemento questo che sottolinea l’importanza di un adattamento di tali coefficienti per le specie in ambito mediterraneo. In ultimo, analizzando le liste dei bioindicatori relative agli indici macrofitici, è stato possibile evidenziare che queste riportano anche alcune entità che, in questo studio, si sono rivelate ad ampia ecologia e quindi non idonee a tale scopo. I risultati ottenuti hanno permesso di ampliare le conoscenze floristiche relative alla componente macrofitica presente nell’area di studio. In particolare, oltre alle fanerogame, sono stati indagati con particolare attenzione i gruppi tassonomici relativi alle alghe, ai cianobatteri e alle briofite acquatiche di cui risultano, in ambito nazionale, solo poche e frammentarie informazioni. Infine, i risultati ottenuti, hanno permesso di analizzare le relazioni esistenti tra le specie macrofitiche e i principali fattori ambientali, oltre che a creare un modello ecologico che possiede una sua congruità e che testimonia l’importanza dell’uso dei bioindicatori per la stima della qualità delle acque e del grado di alterazione ambientale nel suo complesso. I risultati del presente progetto di ricerca rappresentano la base per future ricerche che avranno come obiettivo la formulazione di un indice macrofitico più idoneo per il contesto italiano ed in particolare per il settore mediterraneo contribuendo in questo all’implementazione delle linee guida di biomonitoraggio per la Water Frame Directive.

For the correct evaluation and characterisation of a river ecosystem it is considered essential nowadays to adopt an integrated approach that takes into account physical, chemical and biological methods. The recent adoption at the European level of the Water Frame Directive (2000/60/EC) requires an innovative update of the analytical and classification methods for water bodies. The WFD in fact, gives top priority importance to living organisms as it sees these as the most valid indicators to define the ecological status of surface waters and to truly assess the health of a watercourse. In the context of the implementation of the WFD it therefore becomes a priority to develop new biological indicators of the different trophic levels of the ecosystem. In fact the implementation of the WFD involves examining not only the communities of benthic macroinvertebrates, that are already included in previous regulation (152/99), but also the diatom, fish and macrophyte communities. These are the premises that underlie the present research project, that pertains in particular to the ecological study of the macrophytic component found both within and in proximity of water bodies, which includes herbaceous phanerogams, macroalgae, bryophytes and pteridophytes, and which is the least explored at national level . The area under study is the basin of the River Tiber, the second basin in Italy by extent and identified by governmental institutions as a basin for pilot ecological studies (Bagnini et al., 2005). For the purpose of the macrophyte survey, 61 sampling stations were selected along the River Tiber and its major tributaries, which had different hydrological and morphological characteristics, in order to have a greater diversity of ecological circumstances. For the purposes of the elaborations and for the floristic and ecological analysis, in addition to the collected data, reference was made to certain floristic and vegetation surveys available in the literature and linked to some of the watercourses in the river basin under study (Caneva et al., 2005; Ceschin et al., 2008; Ceschin et al., 2009). The floristic survey was supported by chemical and physical analysis of the waters, which measured for each station the temperature, pH, conductivity, salinity and dissolved oxygen concentration. Furthermore, the concentrations of phosphates, nitrates and ammonium were measured with spectrophotometric analysis, useful for assessing the degree of eutrophication of waterways under consideration. Whilst through direct observation other environmental parameters were analysed, including turbidity, current velocity and particle size of the substrate. The collection of macrophytic data together with the abiotic data mentioned above was the starting point to carry out the ecological investigations. The data was arranged in an array and processed according to procedures of multivariate statistical analysis using methods such as classification and sorting. For some analysis of an exclusively ecological nature, a fuzzy set theory approach was also applied. These investigations allowed to define the ecological niche of macrophytic species and their ranges of compatibility and optimisation in relation to gradients of the environmental factors considered. Ecological response curves were then elaborate for each species to each of the variables taken into consideration. The response curves and the results obtained from the classification and sorting of data made it possible to identify which species may be used as biological indicators of the qualitative state of the waters. These species can be considered as bioindicators for this purpose because they are associated with a narrow range of values for the abiotic factors analysed. It has been possible to observe therefore, in cool, oxygenated, meso-oligotrophic, flowing waters, with generally little pollution, the presence of distinctive species such as the algae Lemanea fluviatilis, Nostoc punctiforme and Chamaesiphon conferviculus, the bryophytes Cratoneuron filicinum, Fissidens viridulus, Plagionium undulatum, Cinclidotus aquaticus, Plathypnidium riparioides and Pellia endiviifolia, and finally the phanerogams Hippuris vulgaris, Elodea canadensis, Groelandia densa, Berula erecta f. fluitans, Mentha aquatica f. fluitans, Lemna trisulca and Ranunculus trichophyllus. In the stretches of water characterized instead by slow currents, poor oxygenation, eutrophication and pollution, there are distinctive species such as the algae Enteromorpha flexuosa, Stigeoclonium sp., Oscillatoria amphibia and the phanerogams Persicaria amphibia, Schoenoplectus lacustris, Eleocharis palustris, Potamogeton natans, Spirodela polyrhiza and Potamogeton pectinatus. We highlight for the latter type of waters, the total absence of bryophytes, emphasizing the sensitivity that this taxonomic group as a whole shows towards general conditions of pollution. Finally, certain of the principal macrophytic indices elaborated in a central European context (MTR, GIS and IBMR) were tested on the data set collected in order to assess their suitability and applicability to the watercourses of the basin under consideration and falling within a more strictly Mediterranean context. The results show that these indices, although exhibiting a good methodological framework, fail to interpret the true qualitative condition of the trophic state at the stations in question; indeed these indices do not discriminate in appreciable manner qualitatively different situations. There appear to be therefore, some obvious limits of applicability of these indices to contexts that are different from those where they were developed, not only because of the scarcity of species in common, as in the case of the MTR index, but also for taxonomical issues; we highlight in fact that sometimes these indices consider bioindicators only at the genus level, but as has also been outlined in this study, it is often necessary to reach the rank of the species due to different responses that can sometimes exist between species of the same genus. Furthermore by comparing the autoecological responses obtained in this study with the species specific coefficients of sensitivity conferred by the various macrophytic indices to the species in common, we note that the autoecological information does not always coincide, as for species such as Ranunculus trichophyllus and Myriophyllum spicatum; an element which emphasises the importance of adapting these coefficients to species in the Mediterranean context. Lastly, by analysing the lists of bioindicators linked to the macrophytic indices, it has also been possible to highlight that these lists also report entities that in this study have displayed wide ecological amplitude, and therefore are not suitable for this purpose. The results obtained have allowed to increase the floristic knowledge relating to the macrophytic component present in the area of study. In particular, apart from the phanerogams, other taxonomic groups were investigated with particular attention: the algae, cyanobacteria and aquatic bryophytes groups, for which there is, nationally, only modest and fragmentary information. Finally, the information obtained made it possible to analyse the relationships between the macrophytic species and the main environmental factors, as well as to create an ecological model that has its own congruity and demonstrates the importance of the use of bioindicators in assessing the quality of the waters and the degree of environmental alteration as a whole. The results of this research project are the basis for future research that will have as its objective the formulation of a macrophytic index that is more suitable to the Italian context and in particular for the Mediterranean region, thus contributing to the implementation of the guidelines for biomonitoring under the Water Frame Directive 2000/60/EC.