La risposta dei coccolitofori alla CO2 in esperimenti in coltura e nel record fossile: un focus su Helicosphaera carteri

Since the late 19th century, global temperatures and CO2 levels have risen significantly, making it urgent to predict the climate system's future response. Key elements of predictive models include oceans and marine biota reactions. Coccolithophores, calcifying marine microalgae, play a fundamental role in the global carbon (C) cycle. They contribute to the biological carbon pump through photosynthesis and vertical export of the organic matter, and to the carbonate counter pump through calcification (CO2 production) and carbonate accumulation in deep-sea sediment (C sequestration). Hence, understanding coccolithophores’ response to future climate changes is essential. Here, I deepened on environmental factors affecting coccolithophores by combining culture experiments with fossil records from climate past events sharing similarities with the current one. During my Ph.D., I focused on the study of the species Helicosphaera carteri that, despite generally low abundances within coccolithophores assemblages, it is considered one of the main contributors to the C export and storage into deep-sea sediments. The focus has been posed on its responses to rise in CO2. To do so, H. carteri has been grown under increasing levels of CO2: 295 µatm (pre-industrial levels and close to the levels recorded during the Last Interglacial, LIG or Marine Isotope Stage, MIS, 5e; 130-116 kyr), ~444 µatm and ~600 µatm (Shared Socioeconomic Pathways 1-2.6 and 2-4.5, respectively). Moreover, to observe a longer-term response, coccolithophores’ behaviour (in particular, H. carteri) has been analysed in the fossil record too, during the LIG both at regional (in the South China Sea, SCS) and global scale. The MIS 5e is a past interglacial interval (preceded by a deglaciation phase, Termination II, T-II), that despite presenting some differences compared to the current warming, can offer important insight about past climate and its future evolution. During this interval, variations in coccolithophore abundances and contribution to CaCO3 production/deposition have been investigated. The experiments highlighted a low sensitivity of H. carteri under increasing CO2 levels and a stable role of this species in the rain ratio under future higher CO2 concentrations. A sensitivity of the species to lower CO2 levels (295 µatm), has been also documented, indicating that the strain used here is adapted to thrive under CO2 concentrations higher than the pre-industrial ones. As far as the fossil record is concerned, the study of the SCS revealed that the variations in coccolith abundance clearly reflect the alternation of past glacial-interglacial phases, and the warmer and colder substages of MIS 5, as well as the variations in the nutrient regimes linked to the influence of the East Asian Monsoon (EAM) dynamics. This evidence strengthens the use of coccolithophore assemblages as a good tool to reconstruct past climate variations and monitor the EAM mechanisms. At the global scale, coccolithophore assemblages showed an asynchronous increase in abundance during T-II-MIS 5e without being negatively affected. Helicosphaera carteri increased during the intervals of climate disruptions (e.g., T-II/MIS 5e transition), rather than showing a specific global trend, confirming a resilience towards climate changes. Generally, from what observed both at local and global scale during the LIG, coccolithophores may not be negatively affected by the predicted scenarios of global warming. However, the results and observations at global scale need a deeper elaboration of the collected data, also by comparison with a wider data set. However, based on observations at both local and global scale during MIS 5e, coccolithophores may have benefited from certain advantages over other photosynthetic groups in terms of trophic resources and limited effects on calcification and abundance, while also occupying new ecological niches at higher latitudes.

Dalla fine del XIX secolo, l’aumento della temperatura superficiale globale e della concentrazione di anidride carbonica (CO2) ha reso sempre più urgente prevedere la futura risposta delle componenti del sistema climatico. Elementi chiave dei modelli previsionali sono gli oceani e il biota marino. I coccolitofori, microalghe marine calcificanti, svolgono un ruolo fondamentale nel ciclo globale del carbonio (C), contribuendo alla pompa biologica del carbonio attraverso la fotosintesi e l'esportazione lungo la colonna d’acqua della materia organica, e alla pompa dei carbonati attraverso la calcificazione (produzione di CO2) e l'accumulo di carbonato nei sedimenti marini profondi (stoccaggio di C). Comprenderne le risposte ai futuri cambiamenti climatici è essenziale. In questo studio, ho approfondito i fattori ambientali che influenzano questi organismi, utilizzando sia esperimenti in coltura sia dati fossili provenienti da sedimenti depositatisi durante eventi climatici passati presentanti analogie con l'attuale. Durante il mio dottorato, mi sono concentrata sullo studio della specie Helicosphaera carteri che, nonostante la bassa abbondanza nelle associazioni a coccolitofori, contribuisce in modo significativo all'esportazione e allo stoccaggio di C nei sedimenti marini profondi. Il focus è stato posto sulle risposte di questa specie all'aumento di CO2. A questo scopo, H. carteri è stata coltivata a livelli crescenti di CO2: 295 µatm (simili ai livelli preindustrialli e a quelli registrati durante l'ultimo interglaciale, lo Stadio Isotopico Marino, MIS 5e), 444 µatm e 600 µatm (Shared Socioeconomic Pathways 1-2.6 e 2-4.5, rispettivamente). Inoltre, per studiarne la risposta a lungo termine, il comportamento dei coccolitofori (in particolare di H. carteri) è stato analizzato anche nel record fossile, durante il MIS 5e (130-116 migliaia d’anni), sia su scala regionale (nel Mar Cinese Meridionale) che globale. Il MIS 5e è un interglaciale che può offrire importanti spunti sul clima del passato e sulla sua futura evoluzione. Durante il MIS 5e, sono state investigate le variazioni di abbondanza dei coccolitofori e del loro contributo alla produzione/deposizione di CaCO3. Gli esperimenti hanno evidenziato una bassa sensibilità di H. carteri all’aumento di CO2 e un ruolo stabile nel rapporto tra fotosintesi/calcificazione alle future concentrazioni di CO2. È stata inoltre osservata una sensibilità della specie a livelli di CO2 (295 µatm) più bassi di quelli attuali, indicando che il ceppo utilizzato è adattato a vivere a concentrazioni di CO2 più elevate di quelle preindustriali. Per quanto riguarda i dati raccolti nel record fossile, lo studio del Mar Cinese Meridionale ha rivelato che le variazioni di abbondanza dei coccolitofori riflettono l'alternanza delle fasi glaciali-interglaciali passate, i sottostadi più caldi e più freddi del MIS 5, nonché le variazioni nel regime dei nutrienti, legate all'influenza delle dinamiche del Monsone Asiatico Orientale. Questa evidenza rafforza l'uso delle associazioni a coccolitofori come strumento per ricostruire le variazioni climatiche passate e monitorare i meccanismi del Monsone Asiatico Orientale. A livello globale, durante l’intervallo T-II-MIS 5e, è stato osservato un aumento asincrono dei coccolitofori, senza effetti negativi su essi. H. carteri è aumentata durante gli intervalli di maggiore instabilità climatica (es. transizione T-II/MIS 5e), piuttosto che mostrare una tendenza globale specifica, confermando la sua resilienza ai cambiamenti climatici. I risultati e le osservazioni su scala globale richiedono un'elaborazione più approfondita dei dati raccolti. Tuttavia, in generale, da quanto osservato durante il MIS 5e, i coccolitofori potrebbero beneficiare di qualche vantaggio rispetto ad altri gruppi fotosintetizzanti, occupando inoltre nuove nicchie ecologiche a più alte latitudini.