TRACCIAMENTO DEL DESTINO BIOGEOCHEMICO DEGLI INQUINANTI EMERGENTI NEI SEDIMENTI MARINI E DEL LORO IMPATTO SUI FORAMINIFERI BENTONICI

This thesis investigates the biogeochemical fate of nicotine, an anthropogenic pollutant primarily derived from cigarette butts and evaluates its effects on benthic foraminifera, unicellular marine protists widely recognized as bioindicators of environmental quality. The environmental distribution of nicotine was first assessed, revealing a higher affinity for sediments than for the water column and a heterogeneous spatial pattern influenced by local sources, wastewater discharges, and proximity to rivers, as also evidenced by the oceanographic distribution model developed in this thesis. Despite extraction efficiencies of approximately 50%, the results indicate that nicotine persists in marine sediments, where it can accumulate over time and potentially affect benthic communities. Building on these findings, chronic exposure tests were conducted in sediment cores and mesocosms in tanks over 75 days to evaluate the impact of lethal and sublethal nicotine concentrations on foraminiferal biodiversity, taxonomic composition, and population density. Calcareous species showed decalcification and reduced vitality, suggesting that nicotine interferes with calcification processes and may impact carbon sequestration. Proteomic analyses, focusing on membrane-associated proteins such as annexins, were performed to investigate the effect of nicotine on the cellular mechanisms underlying these effects. Alterations in the general proteome and on membrane proteins demonstrate nicotine’s disruptive impact on cellular functions and consequently on shell formation. Overall, the findings demonstrate that nicotine significantly influences sediment chemistry and foraminiferal communities, supporting the use of foraminifera as sensitive indicators of anthropogenic pollution from cigarette consumption. Given the compound’s persistence and potential for accumulation in sediments, understanding the fate and long-term behaviour of this emerging contaminant is crucial for developing sustainable management strategies to mitigate its impact on marine ecosystems. By identifying foraminifera as potential bioindicators of nicotine contamination, this research contributes to environmentally responsible monitoring approaches, fostering scientific awareness and supporting societal efforts toward pollution reduction and the preservation of coastal habitats.

Questa tesi indaga il destino biogeochimico della nicotina, un inquinante antropogenico principalmente derivato dai mozziconi di sigaretta, e ne valuta gli effetti sui foraminiferi bentonici, protisti marini unicellulari ampiamente riconosciuti come bioindicatori della qualità ambientale. La distribuzione ambientale della nicotina è stata inizialmente studiata, rivelando una maggiore affinità per i sedimenti rispetto alla colonna d’acqua e un pattern spaziale eterogeneo, influenzato da fonti locali, scarichi di acque reflue e vicinanza ai fiumi, come evidenziato dal modello oceanografico sviluppato in questa tesi. Nonostante l’efficienza del metodo di estrazione fosse di circa il 50%, i risultati indicano che la nicotina persiste nei sedimenti marini, dove può accumularsi nel tempo e influenzare potenzialmente le comunità bentoniche. Sulla base di questi risultati, sono stati condotti test di esposizione cronica in carote di sedimento e in mesocosmi in acquari per 75 giorni, al fine di valutare l’impatto di concentrazioni letali e subletali di nicotina sulla biodiversità, sulla composizione tassonomica e sulla densità di popolazione dei foraminiferi. Le specie calcaree hanno mostrato fenomeni di decalcificazione e ridotta vitalità, suggerendo che la nicotina interferisce con i processi di calcificazione e può influenzare il sequestro del carbonio. Analisi proteomiche focalizzate sulle proteine di membrana, tra cui le annexine, sono state condotte per indagare gli effetti della nicotina sui meccanismi cellulari alla base di tali alterazioni. Le modificazioni osservate nel proteoma generale e nelle proteine di membrana confermano l’impatto della nicotina sulle funzioni cellulari e, di conseguenza, sulla formazione del guscio. Complessivamente, i risultati dimostrano che la nicotina influenza significativamente la chimica dei sedimenti e le comunità di foraminiferi, confermando il loro ruolo di bioindicatori sensibili dell’inquinamento antropogenico derivante dal consumo di sigarette. Considerata la persistenza del composto e il suo potenziale accumulo nei sedimenti, comprenderne il destino e il comportamento a lungo termine è cruciale per sviluppare strategie di gestione sostenibile volte a mitigare l’impatto sugli ecosistemi marini. Identificando i foraminiferi come potenziali bioindicatori della contaminazione da nicotina, questa ricerca contribuisce a promuovere approcci di monitoraggio ambientalmente responsabili, favorendo la consapevolezza scientifica e sostenendo gli sforzi della società per ridurre l’inquinamento e preservare gli habitat costieri.