Caratterizzazione ecologica dei cianobatteri nelle acque interne attraverso lo studio delle loro proprietà ottiche da dati in situ e immagini telerilevate

The aim of the thesis is to understand the dynamics of appearance, flowering, persistence and decline of communities of cyanobacteria in lake water ecosystems (Lake Trasimeno, Lake Idro, Mantova Lakes, Lake Garda and Lake Maggiore) and lagoon (Curonian Lagoon), which can be very different for their morphological characteristics and trophic levels, with remote sensing techniques that offer the advantage of a synoptic view and of high temporal frequency of observation. The study relies on the fact that cyanobacteria have specific photosynthetic pigments that interact with the electromagnetic radiation to determine an unambiguous spectral response; this peculiar response allows mapping cyanobacteria from remote sensing images. In order to exploit satellite images, ad hoc field measurements, an adequate image processing and the analysis of the characteristics of the available sensors allowed me to understand the different spectral responses of cyanobacteria in different environmental conditions. I developed specific algorithms for mapping cyanobacteria blooms from images acquired by space- and/or air-borne sensors. The results obtained from remotely sensed data were integrated with field data such as the ratio between inorganic nutrients available in sediments and waters, weather conditions (e.g. wind, temperature) and hydrological data (water level, water circulation). The analysis of the relationship between the occurrence and the intensity of cyanobacteria flowering and the physico-chemical parameters and meteo-climatic data of the study areas allowed me to investigate how nutrients in sediments and their oxygenation, the incident irradiance and temperature, wind and water level can affect the dynamic and the size of cyanobacteria blooms. The results highlight the extreme variability of the characteristics of cyanobacteria and their dynamic. In particular, the magnitude, the frequency and the factors affecting the occurrence of cyanobacteria blooms vary with waters depth. The process of nutrients mixing in the sediments and the effect of environmental factors on shallow waters appear to be the discriminant element to identify two main types of aquatic ecosystems. The analysis of satellite data also allowed me to evaluate how aquatic vegetation has been adversely affected by cyanobacteria blooms and to highlight how land use change worsens water quality.

Obiettivo della tesi è stato quello di comprendere le dinamiche di comparsa, fioritura, persistenza e declino delle comunità di cianobatteri in ambienti acquatici lacustri (Lago Trasimeno, Lago D’Idro, Laghi di Mantova, Lago di Garda e Lago Maggiore) e lagunari (Laguna dei Curi), molto differenti a livello di caratteristiche morfologiche e trofiche, attraverso tecniche di telerilevamento con vantaggi legati all’osservazione sinottica ad alte frequenze temporali. Lo studio si è basato sul fatto che i cianobatteri sono dotati di specifici pigmenti fotosintetici che interagendo con la radiazione elettromagnetica determinano un’univoca risposta spettrale che permette la loro mappatura da immagini telerilevate, questo attraverso campagne di misure, un adeguato processing delle immagini e un analisi delle caratteristiche dei sensori ha permesso di comprendere le differenti risposte spettrali dei cianobatteri in differenti condizioni ambientali. L’analisi ha permesso di sviluppare appositi algoritmi per la mappatura delle fioriture di cianobatteri da satellite e/o aereo. I risultati ottenuti da remote sensing sono stati integrati con analisi dei rapporti di nutrienti inorganici nei sedimenti e nelle acque, con le condizioni metereologiche (es. vento, temperatura) e idrologiche (livello delle acque, circolazione). L’analisi delle relazioni tra l’occorrenza e l’intensità delle fioriture ed i parametri chimico-fisici e meteo climatici nelle aree di studio ha permesso di valutare come i nutrienti nei sedimenti e la loro ossigenazione, l’irradianza incidente e la temperatura, il vento e il livello delle acque siano fattori influenti sulla dinamica ed l’entità delle fioriture. Si è evidenziata un’estrema variabilità delle caratteristiche dei cianobatteri e delle loro dinamiche. Entità, frequenza e fattori condizionanti le fioriture dei cianobatteri dipendono dalla profondità delle acque. Il rimescolamento dei nutrienti nei sedimenti e l’effetto sulle acque poco profonde dei fattori ambientali risultano essere l’elemento di separazione fra queste due macro tipologie di ecosistemi acquatici. L’analisi di dati satellitari ha permesso anche di valutare come la vegetazione acquatica sia stata influenzata negativamente dalle fioriture di cianobatteri e di come la variazione di uso del suolo peggiori la qualità delle acque.