B. Rossaro

L. Marziali

AIR Universita degli studi di Milano

laboratorio 2000ottobre 200936P monitoraggio biologicoL’L’analisi chimica è in grado di fornire informazioni quantitative sullo stato dell’ambiente al momento del prelievo, mentre l’analisi biologica permette di valutare gli e  etti sinergici che le diverse sostanze inquinanti determinano sul biota, nonché di individuare fenomeni episodici di inquinamento e di stress idrologico, che causano e  etti irreversibili sulle comunità. Obiettivo imminente, richiesto dalla WFD, è di rendere questo sistema di valutazione quantitativo rispetto alle diverse forme di impatto.Tra i macroinvertebrati, i Ditteri Chironomidi occupano un posto di rilevo per l’elevata ricchezza in specie e per l’estrema tolleranza ai fattori ambientali, costituendo modelli biologici unici. Mentre gli adulti vivono in ambiente aereo, gli stadi larvali e pupali colonizzano i più svariati habitat d’acqua dolce, da torrenti, laghi e sorgenti a sta gni, torbiere ed estuari. La capacità di questi animali di tollerare ampi gradienti di pH, salini-tà, profondità, concentrazione di ossigeno, temperatura e produttività permette loro di occupare tutte le nicchie ecologiche e tutti i livelli tro ci presenti negli ambienti d’acqua dolce. Come accade per altri macroinvertebrati, essi sono potenzialmente ottimi bioindicatori, tuttavia il loro utilizzo è spesso ostacolato dalle di  coltà di identi cazione alla specie, che rimane spesso appannaggio di esperti tassonomi.Mentre le larve di Chironomidi sono state inserite in diversi programmi di biomonitoraggio (es. in Italia: I.B.E., D.L. 152/1999), le pupe sono state a lungo trascurate ( g. 1). Tuttavia, esse possiedono una notevole varietà di caratteri morfologici che permettono l’identi cazione alla specie, a di  erenza delle larve che spesso possono essere identi cate solo  no al genere o al gruppo di specie.Lo stadio pupale ha una durata molto breve, raramente superiore a 72 ore, durante la quale l’organismo non si nutre e nella maggior parte dei casi rimane all’interno di tubi di sedimento prodotti dagli stadi larvali  nali. La struttura pupale deve quindi essere altamente funzionale, dovendosi adattare velocemente, in assenza di forze selettive tradizionali, ai processi evolutivi delle larve e al loro ambiente di vita. In particolare, il livello di ossigenazione è uno dei principali fattori che determinano la sopravvivenza delle pupe  no allo sfarfallamento, soprattutto negli ecosistemi Caratteri morfologici come bioindicatori: ditteri chironomidi nelle acque dolci* DiPSA, Università degli studi di MilanoLaura Marziali e Bruno Rossaro*Il monitoraggio biologico è previsto dalla normativa europea (WFD, 2000/60/CE) e nazionale (D.L. 152/2006) per la valutazione della qualità degli ecosistemi ﬂ uviali e lacustri. Si basa anche sull’analisi delle comunità a macroinvertebrati bentonici, organismi invertebrati che vivono a stretto contatto con i sedimenti e sono considerati ottimi bioindicatori delle condizioni ecologiche dell’ ecosistema Fig.1- Pupa di Chironomus anthracinus (cortesia Klaus Peter Brodersen).laboratorio 2000ottobre 200937d’acqua ferma. Ciò implica una serie di adattamenti morfologici,   siologici e comportamentali, che concorrono a determinare la resistenza e la tolleranza di ogni specie. Adattamenti morfologiciLe pupe assorbono ossigeno attraverso la cuticola, ma molte specie possiedono un paio di organi respiratori specializzati, detti corni toracici, che costituiscono un’estensione dell’area super  ciale e possono essere direttamente in connessione con il sistema tracheale. Nelle specie tubicole, l’ossigeno viene dunque assorbito direttamente dall’acqua attraverso l’intera super  cie dei corni, che funzionano come branchie. Le specie colonizzatrici di habitat d’acqua ferma sono caratterizzate da corni toracici più o meno rami  cati (Chironomini), mentre nelle specie reo  le queste strutture sono ridotte o per  no assenti (Orthocladiinae) (  g. 2). Le pupe, inoltre, attuano movimenti ondulatori dell’addome che convogliano un  usso d’acqua ricca di ossigeno attraverso il tubo. Il segmento terminale dell’addome è modi  cato in lobi anali dotati di una frangia di macrosete più o meno sviluppata, che ha diversi scopi. Le specie tubicole presentano una folta frangia, che viene utilizzata per facilitare l’ondulazione; le grandi dimensioni corporee determinano una maggiore e  cacia nel movimento. Le specie reo  le sono generalmente più piccole ed hanno solo alcune spesse macrosete, che vengono usate come uncini per sfuggire al trascinamento verso valle ad opera della corrente (  g. 3).Queste osservazioni hanno indotto ad ipotizzare l’esistenza di una relazione tra lo sviluppo di alcuni caratteri morfologici di questi organismi e le condizioni di ossigenazione delle acque in cui vivono. In particolare, è stato ipotizzato che la super  cie del corno possa costituire una misura dell’optimum di ossigeno della specie. Allo stesso modo, l’estensione della frangia di sete potrebbe essere un indicatore del livello di ossigenazione dell’habitat in cui la specie vive. In  ne, le dimensioni corporee sarebbero indicative della capacità ondulatoria speci  ca.Lo sviluppo massimo del corno toracico, della frangia anale e delle dimensioni corporee è presente ad esempio nelle specie di Chironomus, tipiche colonizzatrici di ambienti a scarsa ossigenazione (  g. 1). Apparenti eccezioni, quali le pupe  uviali dotate di frangia anale (es. Rheocricotopus), sono in realtà organismi tubicoli che colonizzano le zone a bassa velocità di corrente; allo stesso modo in Thienemanniella e Corynoneura, specie lacustri, l’estesa frangia compensa l’assenza del corno toracico e le piccole dimensioni. Queste caratteristiche morfologiche possono, dunque, essere tradotte in tratti autoecologici? La morfologia può dare informazioni quantitative sull’ambiente, utili in un eventuale sistema di biomonitoraggio?Evidenze dai laghi italianiLarve, pupe ed esuvie pupali di Chironomidi sono state raccolte negli ultimi 20 anni in 17 laghi italiani, per un totale di circa 300 campioni. Gli esemplari sono stati preparati in vetrini per microscopia e identi  cati al livello tassonomico più dettagliato possibile. Per pupe ed esuvie pupali è stato contato il numero di rami  cazioni del corno e di macrosete anali; è stata misurata inoltre la lunghezza dell’addome. I tre caratteri morfologici sono risultati positivamente correlati tra loro: taxa più grandi possiedono generalmente un corno più rami  cato e frange anali più folte. Queste relazioni supportano l’ipotesi di una coevoluzione di queste strutture come adattamento a condizioni ambientali estreme, come quelle che possono veri  carsi nella zona profonda dei laghi. Questi caratteri, inoltre, sono risultati correlati con i valori di percentuale di saturazione di ossigeno ipolimnico, fosforo totale e trasparenza misurati nei siti di prelievo, nonché con gli optima calcolati per ogni specie utilizzando i dati a disposizione relativi alle larve (  g. 4 e tab.1). In generale è emerso che corni altamente rami  cati, frange anali sviluppate e una taglia corporea maggiore caratterizzano le specie più resistenti all’ipossia e a condizioni di tro  a elevate (es. Chironomus plumosus), mentre taxa quali Paratendipes, Polypedilum e Microtendipes, dotati di corni poco rami  cati, frange anali meno folte e minori dimensioni sono risultati più esigenti (  gg. 2-4). Un’eccezione è costituita da Stictochironomus, che è risultato meno tollerante dell’atteso, pur vivendo negli strati Fig. 2- Corno toracico di: Orthocladiinae (a-c, 40x); Chironomini (d: Polypedilum nubeculosum; e: Chironomus plumosus, 20x).Fig. 3- Lobi anali con macrosete in pupe di Chironomidi: Orthocladiinae (a-b, 10x) e Chironomini (c: Kieﬀ erulus sp., 10x; d: Paracladopelma camptolabis, 20x).laboratorio 2000ottobre 200938P monitoraggio biologicoprofondi dei sedimenti. Probabilmente la specie migra tra la zona super  ciale dei sedimenti, dove immagazzina ossigeno nell’emoglobina, e la zona profonda, dove trova protezione. Per testare le ipotesi si è però reso necessario migliorare la misurazione della super  cie respiratoria. Il corno è formato da tubi tracheali di diametro simile, che terminano nell’anello basale, in contatto diretto con i tubi tracheali dell’adulto che si sviluppa all’interno della pupa (  g. 2 e   g. 5). Più i tubuli sono numerosi nell’anello basale e più aiutano nell’apporto di ossigeno. Pertanto si è scelto di misurare l’area dell’anello basale quale indicatore del numero di tubuli e quindi della capacità respiratoria. Il rapporto medio tra l’area dell’anello basale e la lunghezza dell’addome di ogni specie è stato messo in relazione con l’optimum di ossigeno e con il 25° percentile dei valori di ossigeno disciolto registrati nei siti in cui la specie era presente, evidenziando in entrambi i casi una correlazione negativa (rispettivamente r=-0,41 e r=-0,62, p<0,01) (  g. 6). È stato possibile inoltre individuare le specie tolleranti e intolleranti all’ipossia: Chironomus anthracinus è risultato meno tollerante dell’atteso, Phaenopsectra   avipes, Cladopelma virescens e Paracladopelma camptolabis più tolleranti dell’atteso. Queste specie potrebbero utilizzare altre forme di adattamento, quali strategie   siologiche e/o comportamentali.Adattamenti   siologici e comportamentaliMolte specie di Chironomidi possiedono emoglobina ad alta a  nità per l’ossigeno e sono in grado di variare la produzione di questa molecola in risposta alle condizioni di ossigenazione dell’ambiente in cui vivono. Essa è deputata non solo all’assorbimento di ossigeno dall’acqua e al suo trasporto nell’emolinfa, ma anche all’immagazzinamento, consentendo così di mantenere il metabolismo aerobico anche in condizioni di ipossia. Quando le riserve di ossigeno vengono consumate, questi organismi attuano glicolisi anearobica come strategia metabolica, consumando le riserve di glicogeno accumulate nel corpo.La relazione tra microdistribuzione verticale nel sedimento e adattamenti allo stress da ipossia è stata studiata in Chironomidi lacustri litorali ed è emerso che le specie più grandi (e quindi con maggiori riserve di glicogeno) e gli individui dotati di maggior quantità di emoglobina (es. Chironomus gruppo plumosus) generalmente vivono più in profondità nel sedimento di altri (es. Tanytarsus sp.). Tali taxa (es. Chironomus, Dicrotendipes, Procladius) hanno alta capacità ossigeno-regolatoria, in quanto mantengono alto il tasso di assimilazione di ossigeno dall’ambiente anche quando il livello di ossigenazione decresce. Sono quindi in grado di sopravvivere molti mesi in assenza totale di ossigeno, passando ad un metabolismo anaerobio ed in  ne alla dormienza.Dall’altro lato, taxa senza capacità di immagazzinamento dell’ossigeno (es. Stictochironomus, Micropsectra, Hydrobaenus) devono passare a strategie anaerobiche anche in presenza di basse concentrazioni residue di ossigeno nell’ambiente.Il contenuto di emoglobina nell’emolinfa è stato determinato in larve appartenenti a 6 specie di Chironomidi (Drabkin’s solution - SIGMA®; espressa come mg di Hb sulle proteine totali). È emersa un’ampia variabilità intraspeci  ca: ad esempio, individui giovani o litorali possiedono meno emoglobina dei conspeci  ci più maturi o profondi. Inoltre il contenuto di Hb non è risultato correlato Tabella 1 - Coeﬃ  cienti di correlazione tra caratteri morfologici e optima delle specie (= media dei valori di una variabile ambientale pesata secondo l’abbondanza degli individui di una specie). Correlazioni signiﬁ cative: * = p<0,05.Caratteri morfologici delle specie Numero di rami del cornoNumero di macrosete analiLunghezza dell’addomeNumero di macrosete anali 0,68* - -Lunghezza dell’addome 0,73* 0,86* -Optima delle speciePercentuale di saturazione di ossigeno ipolimnico-0,43 -0,56* -0,57*Forforo totale 0,32 0,52 0,56*Trasparenza -0,59* -0,62* -0,58*Fig. 4- Relazione tra numero di rami del corno toracico e percentuale di saturazione di ossigeno ipolimnico (sinistra) e trasparenza (destra) misurate nei siti in cui è stata riscontrata ogni specie.con la lunghezza dell’addome né con l’area dell’anello basale. È però risultato alto in specie piccole con corno ridotto (es. P. nubeculosum) e in specie grandi con corno sviluppato (es. C. plumosus) (  g. 7).Sono stati osservati, inoltre, comportamenti speci  ci in risposta alla diminuzione dei livelli di ossigenazione. Ad esempio, nei casi di forte carenza di ossigeno, le pupe di Chironomus possono lasciare il tubo e ondulare liberamente nell’acqua. Allo stesso modo, durante i periodi di anossia le larve delle specie meno tolleranti (es. Tanytarsus sp.) possono migrare verso la zona litorale prima della muta.È, inoltre, noto che le specie colonizzatrici di habitat ben ossigenati mostrano la tendenza ad aumentare la frequenza delle ondulazioni respiratorie a concentrazioni di ossigeno più elevate rispetto ai taxa che vivono in condizioni di ipossia; questi ultimi sono in grado di ventilare anche in anossia.Conclusioni e risvolti applicativiLa struttura pupale nei Chironomidi si evolve da geni già presenti nella larva, che si attivano tardivamente negli stati larvali maturi. L’evoluzione delle pupe è indipendente agli altri stadi vitali e la pressione selettiva è bassa, quindi vengono mantenute tutte le strutture che contribuiscono al successo dello sfarfallamento, mentre le forme aberranti vengono perse. Ciò fa sì che la pupa possa avere con  ni   logenetici e tassonomici anche più de  niti rispetto alla larva e all’adulto: per questo le pupe presentano caratteri morfologici ben riconoscibili e altamente funzionali. Tra questi, la lunghezza dell’addome e l’area dell’anello basale possono essere considerati ottimi predittori di tolleranza all’ipossia. In particolare, sono più correlati con il 25° percentile di [O2], che non con la media ponderata (optimum delle specie), perché sono i valori più bassi di ossigenazione che determinano una selezione delle specie. Inoltre, i due caratteri vanno sempre considerati contemporaneamente, in quanto lo sviluppo del corno aumenta all’aumentare delle dimensioni corporee per sopperire al diminuire del rapporto super  cie/volume. Le dimensioni corporee e lo sviluppo Fig. 5- Anello basale e tubuli tracheali del corno toracico di Glyptotendipes pallens (40x).laboratorio 2000ottobre 200940P monitoraggio biologicodel corno toracico possono quindi essere utilizzati come misure per quanti  care l’e etto che ripetuti fenomeni di ipossia ed anossia provocano sul biota, in modo complementare rispetto alle analisi chimiche, che forniscono valori di ossigenazione puntiformi ed istantanei. Non è invece emersa una relazione chiara tra il contenuto di emoglobina 1) Armitage P., Cranston P.S., Pinder L.C.V. (Eds)1995 - The Chironomidae. The biology and ecology of non-biting midges - Chapman & Hall, London, 572 pp.2) Brodersen K.P., Pedersen O., Lindegaard C., Hamburger K. 2004 - Chironomids (Diptera) and oxy-regulatory capacity: an experimental approach to paleolimnological interpreta-tion – Limnol. Ocean. 49: 1549-1559.3) Hamburger K., Dall P.C., Lindegaard C., Nilson I.B. 2000 - Survival and energy metabolism in an oxygen deﬁ cient environment. Field and laboratory studies on the bottom fauna from the profundal zone of Lake Esrom, Denmark - Hydrobiologia 432: 173-188.4) Heinis T., Crommentuijn T., 1989 - The natural habitat of the deposit feeding chironomid larvae Stictochironomus histrio (Fabricius) and Chironomus anthracinus Zett. in rela-tion to their responses to changing oxygen concentrations - Acta Biol. Debr. Oecol. Hung. 3: 135-140.5) Heinis F., Van De Bund W.J., Davids C. 1989 - Avoidance of low oxygen and food concentrations by the larvae of Tanytarsus sp. - Acta Biol. Debr. Oecol. Hung. 3: 141-145.Int Panis L., Goddeeris B., Verheyen R. 1996 - On the relationship between vertical microdistribution and adap-tations to oxygen stress in littoral Chironomidae (Diptera) - Hydrobiologia 318: 61-67.6) Langton P.H. 1989 - Functional and phylogenetic inter-pretation of chironomid pupal structure - Acta Biol. Debr. Oecol. Hung. 2: 247-252.7) Marziali L., Lencioni V., Rossaro B. 2006 - Adaptations of pupae of Chironomidae (Insecta: Diptera) to oxygen-poor habitats – Pol. J. Ecol. 54: 687–693.8) Rossaro B., Solimini A., Lencioni V., Marziali L., Giacchini R. and Parenti P. 2007 - The relationship between body size, pupal thoracic horn development and dissolved oxygen in Chironomini (Diptera: Chironomidae) - Fundam. Appl. Limnol./Arch. Hydrobiol. 169: 331-339.bibliogra  anell’emolinfa e la resistenza all’anossia. Probabilmente l’emoglobina va considerata come un adattamento rapido all’ambiente, in quanto l’animale reagisce istantaneamente producendone di più o di meno; al contrario, il corno e le dimensioni corporee sono caratteri stabili, ovvero adattamenti a lungo termine. I risultati suggeriscono comunque un trend   logenetico verso un aumento della regolazione del metabolismo aerobico in risposta all’aumentare dei fenomeni di ipossia, grazie allo sviluppo di meccanismi di immagazzinamento dell’ossigeno.  Suggeriscono inoltre che l’adattamento respiratorio ha un forte signi  cato ecologico, che implica strategie morfologiche,   siologiche e comportamentali. Se questi meccanismi verranno chiariti, queste conoscenze potrebbero costituire la base di una nuova strategia di monitoraggio per gli ecosistemi d’acqua dolce, basata non più sull’identi  cazione delle specie, ma sull’analisi di selezionati caratteri altamente adattativi e facilmente riconoscibili.Fig. 6- Regressione tra il rapporto area dell’anello basale / lunghezza dell’addome e 25° percentile dei valori di ossigeno disciolto misurati nei siti di prelievo delle singole specie. Rettangoli grigi: specie tolleranti all’ipossia; rettangoli neri: specie intolleranti.Fig. 7- Relazione tra lunghezza media dell’addome di alcune specie di Chironomidi (pupe) e concentrazione media di emoglobina nell’emolinfa.

Caratteri Morfologici come Bioindicatori: Ditteri Chironomidi nelle Acque Dolci.

https://air.unimi.it/retrieve/handle/2434/152341/138443/2009_Lab_007_INT%40036-040.pdf

Caratteri Morfologici come Bioindicatori: Ditteri Chironomidi nelle Acque Dolci.

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