A reappraisal of phytoplankton of Latium coastal seawater

Current knowledge on phytoplankton dynamics in Latium coastal waters is scanty, with only few works focussed on community composition and spatio-temporal changes in surface waters, within 500 m from coastline. On those study occasions, the collaboration between the Regional Environmental Agency, Arpa Lazio and the Laboratory of Biology of Algae, University of Rome Tor Vergata, led to a first appraisal of phytoplankton in Latium coastal waters, with over 250 taxa recorded, including toxic species, identified with light and electron microscopy. This PhD project has represented the opportunity for a reappraisal of phytoplankton of Latium Region in the framework of the “Marine Strategy” European Directive. The monitoring program envisaged for the Marine Strategy includes the assessment of phytoplankton assemblages and their physico-chemical environment in waters ‘offshore’ waters, with respect to past activities. Phytoplankton species composition was investigated using light (bright field and phase contrast) and fluorescence microscopy in bottle and net samples collected from July 2015 to December 2017. In this PhD project, I analysed a more comprehensive phytoplankton dataset that I built after a thorough revision and alignment of data that were collected during different national phytoplankton monitoring programmes (L. 979/82 and Water Framework Directive 2000/60/EC). The statistical analysis, performed on the entire dataset that includes more than a thousand samples collected from 2002 to 2017, and in particular, the Self Organizing Maps (SOMs), chosen for the intrinsic heterogeneity of the dataset itself, led to grouping the samples based on the composition and the abundances of phytoplankton. The SOMs analyses made it possible to summarize the information, collected during 15 years of monitoring provided an assessment of the “physiognomy” of phytoplankton assemblages along the Lazio coasts. Overall, this project has allowed the development of a local phytoplankton database, it has given the opportunity to expand the current knowledge on phytoplankton composition and, in particular, has provided the updating of the floristic list including harmful species and non-indigenous ones. Moreover, this project has permitted to describe the spatiotemporal distribution of phytoplankton assemblages along the Lazio coast. The study led to the application of a methodological approach for the treatment of the nonhomogeneous qualitative-quantitative data in term of spatio-temporal distribution (i.e. sampling frequency or sampling stations) thus making it possible to recover data from different monitoring programs. Finally, integrating 15 years of observations this research has enabled us to create a baseline of the physiognomy of the phytoplankton population of the Lazio coasts whose variation can be evaluated over time.

Le attuali conoscenze sulla dinamica del fitoplancton delle coste laziali sono scarse, con solo pochi lavori focalizzati sulla composizione della comunità e sulle variazioni spazio-temporali di questa nelle acque superficiali, entro 500 m dalla costa. In quelle occasioni di studio, la collaborazione tra Arpa Lazio (Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale del Lazio) e il Laboratorio di Biologia delle Alghe dell’Università di Roma Tor Vergata, ha portato ad una prima valutazione del fitoplancton nelle acque costiere del Lazio, con oltre 250 taxa registrati, tra cui specie potenzialmente tossiche, identificate con la microscopia ottica ed elettronica. Questo progetto di dottorato ha rappresentato l'opportunità per una ripresa dello studio del fitoplancton delle coste laziali, nel quadro della direttiva europea "Strategia Marina". Il programma di monitoraggio previsto per la Strategia Marina include la valutazione dei popolamenti fitoplanctonici e delle condizioni fisico-chimiche in acque più di largo rispetto alle attività di monitoraggio pregresse. In questo progetto di dottorato, è stata studiata la composizione del popolamento fitoplanctonico utilizzando tecniche di microscopia ottica a luce trasmessa e in fluorescenza di campioni di acqua e di retinato del programma di Strategia Marina raccolti da luglio 2015 a dicembre 2017. Quanto ottenuto è stato aggiunto ad un set di dati di fitoplancton provenienti da due programmi nazionali di monitoraggio dell’ambiente marino costiero (L. 979/82 e Direttiva 2000/60 /CE) che sono stati svolti nel periodo 2002 – 2015. L’integrazione dei dati per la costituzione di un unico dataset ha comportato una revisione approfondita e l'allineamento dei dati. L'analisi statistica, eseguita sull’intero dataset che annovera più di mille campioni raccolti dal 2002 al 2017, ed in particolare le Self Organizing Maps (SOMs), scelte per l’intrinseca eterogeneità del dataset stesso, ha portato a raggruppare i campioni in base alla composizione e alle abbondanze del fitoplancton. Le SOMs hanno permesso di sintetizzare le informazioni, raccolte durante quindici anni di monitoraggio e ha consentito di definire una “fisionomia” dei popolamenti fitoplanctonici lungo le coste laziali. Nel complesso questo progetto ha dato la possibilità di sviluppare un database del fitoplancton per le coste laziali, di aggiornare le conoscenze sulla composizione del fitoplancton e, in particolare, ha consentito l’aggiornamento dell’elenco floristico comprendente specie potenzialmente tossiche e non indigene e ha permesso, infine, di definire la distribuzione spazio-temporale dei popolamenti fitoplanctonici lungo la costa. Lo studio condotto nel corso del dottorato ha portato all’applicazione di un approccio metodologico per la trattazione dei dati quali-quantitativi disomogenei dal punto di vista spazio-temporale (ad esempio rispetto alla frequenza di campionamento o al posizionamento delle stazioni) permettendo così di recuperare dati provenienti da programmi diversi di monitoraggio. Infine, integrando 15 anni di osservazioni questo studio ha permesso di creare una baseline della fisionomia del popolamento fitoplanctonico delle coste laziali la cui variazione potrà essere valutata nel tempo.