Greenhouse gas (CO2 and CH4) net emission from freshwater wetlands with different primary producer communities

Il presente lavoro di tesi riguarda la regolazione delle emissioni di gas serra da parte di diversi produttori primari all’interno di zone umide d’acqua dolce. In ambienti eutrofici, l’aumento dell’apporto di sostanza organica al sedimento favorisce il mutamento delle comunità vegetali. A seguito dell’aumento della torbidità dell’acqua e della crescita fitoplanctonica, la vegetazione radicata sommersa viene infatti sostituita da specie radicate a foglia galleggiante o da forme pleustofitiche. Queste ultime vengono favorite dalla presenza di acque ricche in nutrienti e a bassa penetrazione della luce. L’ipotesi principale di questo lavoro è che il cambiamento nella composizione vegetale acquatica e la prevalenza di una comunità su un’altra determinino delle modifiche nell’ossigenazione dell’acqua, nella produzione di gas serra nei sedimenti e quindi negli efflussi diretti verso l’atmosfera. In tale contesto, la presenza di vegetazione sommersa riveste un ruolo determinante nel mantenimento dell’ossigenazione dell’acqua e favorisce i processi microbici aerobici (ad esempio, l’ossidazione del metano); al contrario, la barriera fisica creata dalle foglie galleggianti all’interfaccia aria-acqua sostiene condizioni di ipossia in colonna d’acqua e nel sedimento. Come conseguenza principale, vengono favoriti i processi di respirazione e la metanogenesi nel sedimento, così come l’accumulo di metano e anidride carbonica in colonna d’acqua. Al fine di testare queste ipotesi, sono stati condotti due esperimenti in laboratorio in cui è stato studiato il trasporto di ossigeno da parte delle radici di una macrofite radicata sommersa (Vallisneria spiralis), con particolare attenzione agli effetti sull’ossidazione del metano, la fissazione di carbonio e la ritenzione di nutrienti (Capitoli 5 e 6). In secondo luogo, è stato condotto un esperimento di campo al fine di definire il ruolo di una rizofita a foglia galleggiante (Nuphar luteum) nel convogliare metano direttamente dal sedimento all’aria attraverso il parenchima aerifero e nel fissare carbonio sottoforma di biomassa (Capitolo 7). Infine, è stato realizzato un monitoraggio esteso su diverse zone umide colonizzate da diverse comunità vegetali acquatiche, allo scopo di evidenziare l’effetto della colonizzazione da parte di pleustofite sull’ossigenazione della colonna d’acqua e sulle dinamiche temporali dei gas disciolti; sono stati inoltre calcolati dei flussi teorici di gas serra diretti verso l’atmosfera. (Capitolo 8). I risultati di questo studio dimostrano come, seguendo il cambiamento delle comunità vegetali da forme sommerse a forme galleggianti, si assista a un aumento del rilascio di gas serra verso l’atmosfera. Si evidenzia quindi la necessità di approfondire il fenomeno, nell’ottica dell’aumento dei fenomeni di eutrofizzazione a livello globale e della crescente invasione degli ambienti stagnanti da parte delle specie a foglie galleggianti.The present work focuses on the regulation of greenhouse gas emission by different primary producers in shallow freshwater wetlands. In eutrophic environments the increase of organic matter input to the sediment favours the shift of primary producer communities. As a consequence of the increase of water turbidity and phytoplankton growth submerged rooted vegetation is replaced by floating-leaved species. The latter are selected in nutrient-rich and light-limited aquatic bodies. The main hypothesis of the present work is that the shift in plant composition and the prevalence of a community over another one trigger changes in water oxygenation and production of greenhouse gas (CO2 and CH4) in the sediment and thus the efflux towards the atmosphere. In this context, the presence of submerged aquatic vegetation plays a major role in maintaining water oxygenation and favour aerobic microbial processes (e.g. methane oxidation), whereas the physical barrier created by floating-leaved and free-floating macrophytes at the water-air interface supports anoxic conditions in the water column and in the sediment. As a main consequence, respiration processes and methanogenesis in the sediment are favoured, as well as the accumulation of methane and carbon dioxide in the water column. To test these hypotheses, two laboratory experiments were performed to investigate the oxygen transport to the rhizosphere by a submerged rooted macrophyte (Vallisneria spiralis) and its subsequent effects on methane oxidation, carbon fixation and nutrients retention (Chapters 5 and 6). Secondly, an in situ experiment was carried out to define the role of a floating-leaved macrophyte (Nuphar luteum) in conveying methane from the sediment to the air through the aerenchyma and fixing carbon dioxide in biomass (Chapter 7). Finally, an in situ monitoring was performed over a range of shallow wetlands colonized by different primary producers, with the aim of investigating the effect of the colonization of free-floating macrophytes on water oxygenation and seasonal gas dynamics in water; theoretical greenhouse gas fluxes were also calculated (Chapter 8). Results from the present study show that, following the shift of primary producers from submerged to floating forms, an increasing amount of greenhouse gases is released to the atmosphere. This outcome should be of global concern when considering the raising of aquatic environments that suffer from eutrophication and that are undergoing to regime shift; those environments are likely to be colonized by free-floating plants and significantly affect the global trace gas budget