From the mainland to sea and back: plastic’s path in demersal communities exploited by fishing

Seafloor litter pollution has emerged as a significant environmental concern, posing potential threats to marine biodiversity and ecosystem functioning. The seafloor is a key habitat for numerous marine species, and the accumulation of litter disturbs the essential balance and function of this ecological system. This pollution may affect organisms at both the individual level, through ingestion or entanglement, and the community level by altering nutrient availability and modifying the physical and chemical properties of the environment. Additionally, seafloor litter pollution has been observed to have a negative impact on marine fisheries worldwide, affecting them both directly and indirectly. For instance, the presence of marine litter in fishing nets can reduce their catch efficiency, cause damage, reduce the time available for fishing, inflate repair expenses, obstruct equipment, and necessitate increased fuel consumption. Moreover, fisheries' target species, along with their prey, are at risk of both lethal and sub-lethal harm due to plastic pollution and that could reduce the fishing quality. In particular, many studies have correlated seafloor plastic pollution with reduced reproductive success, growth limitations, and reduced body mass growth in exposed organisms, which could reduce the economic value of a species and thus have a negative impact on system production. Despite the growing awareness and concern about the effects of bottom trawling and seafloor litter, there are no studies on the effects of litter pollution on fisheries and stock management, and closing the knowledge gap would be a critical task. For these reasons, the main objective of this PhD project is to evaluate the potential effects of seafloor litter within individual, community, and fishery contexts in the central Tyrrhenian Sea, with a particular emphasis on the following aspects: reconstructing the spatial distribution of seafloor litter throughout the Western Mediterranean Sea (background); evaluating the feeding habits and plastic consumption of blackmouth catsharks (individual level); investigating the impact of seafloor debris on marine communities through eDNA metabarcoding (community level); and assessing the risk of fishing grounds through an overlap analysis of seafloor plastic hotspots with commercially important species. The findings of this research indicate significant levels of seafloor litter in the western Mediterranean Sea, with multiple hotspots that could adversely affect ecosystems, specifically harming certain species. Indeed, the generalist-opportunistic feeding behavior of the blackmouth catshark leads to the incidental ingestion of plastic particles, which can be indirectly associated with the presence of macroplastics on the seafloor. Additionally, eDNA metabarcoding was utilized to examine the impact of trawling and litter on the marine community. The study revealed the presence of certain species closely associated with litter on the seafloor, while others were linked to trawling. Furthermore, it was demonstrated that seafloor plastic hotspots coincide with fishing grounds of economically significant species, resulting in adverse effects on fishermen's economic productivity. In this work, it was also possible to quantify the probability of exposure and impact of litter for each of the key trawling species. This PhD thesis provides a thorough investigation of the distribution and effects of seafloor debris on marine life in the central Tyrrhenian Sea. The methods used converge to understand the complex relationships between environmental variables, anthropogenic factors, and community composition. This study enhances our comprehension of the responses of marine ecosystems to litter accumulation and also provides essential information for designing effective conservation and management strategies to mitigate the impact of litter on marine ecosystems.

L'inquinamento da rifiuti nei fondali marini è emerso come un problema ambientale significativo, che pone potenziali minacce alla biodiversità marina e al funzionamento dell'ecosistema. I fondali marini sono un habitat fondamentale per numerose specie marine e l'accumulo di rifiuti altera l'equilibrio e la funzione essenziale di questo sistema ecologico. Questo inquinamento può influenzare gli organismi sia a livello individuale, attraverso l'ingestione o l'impigliamento, sia a livello di comunità, alterando la disponibilità di nutrienti e modificando le proprietà fisiche e chimiche dell'ambiente. Inoltre, è stato osservato che l'inquinamento dei rifiuti marini ha un impatto negativo sulla pesca marina in tutto il mondo, influenzandola sia direttamente che indirettamente. Ad esempio, la presenza di rifiuti marini nelle reti da pesca può ridurre l'efficienza delle catture, causare danni meccanici, ridurre il tempo disponibile per la pesca, aumentare le spese di riparazione, ostruire le attrezzature e richiedere un maggiore consumo di carburante. Inoltre, le specie bersaglio della pesca, insieme alle loro prede, sono a rischio di danni letali e sub letali a causa dell'inquinamento da plastica, che potrebbero ridurre la qualità del pescato. In particolare, molti studi hanno messo in relazione l'inquinamento da plastica dei fondali marini con la riduzione del successo riproduttivo, le limitazioni della crescita e la riduzione della crescita della massa corporea negli organismi esposti, che potrebbero ridurre il valore economico di una specie e quindi avere un impatto negativo sul sistema produttivo. Nonostante la crescente consapevolezza e preoccupazione per gli effetti della pesca a strascico e dei rifiuti sui fondali marini, non esistono studi sugli effetti di questi inquinanti sulla pesca e sulla gestione degli stock. Per questi motivi, l'obiettivo principale del mio progetto di dottorato è quello di valutare i potenziali effetti dei rifiuti dei fondali marini a livello individuale, comunitario e di pesca nel Mar Tirreno Centrale, con particolare attenzione ai seguenti aspetti: ricostruire la distribuzione spaziale dei rifiuti del fondale marino nel Mediterraneo occidentale (background); valutare le abitudini alimentari e il consumo di plastica degli squali gattucci boccanera (livello individuale); indagare l'impatto dei detriti del fondale marino sulle comunità marine attraverso il DNA ambientale (livello di comunità); valutare il rischio delle zone di pesca attraverso un'analisi di sovrapposizione degli hotspot di plastica del fondale marino con le specie commercialmente importanti. I risultati di questa ricerca indicano livelli significativi di rifiuti sul fondale marino nel Mar Mediterraneo occidentale, con molteplici hotspot che potrebbero influire negativamente sugli ecosistemi, danneggiando in particolare alcune specie. Infatti, il comportamento alimentare generalista-opportunista dello squalo boccanera porta all'ingestione accidentale di particelle di plastica, che possono essere indirettamente associate alla presenza di macroplastiche sul fondale marino. Dopodiché, l’utilizzo del DNA ambientale per esaminare l'impatto della pesca a strascico e dei rifiuti sulla comunità marina ha rivelato la presenza di alcune specie strettamente associate ai rifiuti sul fondo marino, mentre altre erano strettamente legate a zone ad alto impatto di pesca a strascico. Inoltre, è stato dimostrato che gli hotspot di plastica sul fondale marino coincidono con le zone di pesca di specie economicamente importanti, con conseguenti effetti negativi sui profitti dei pescatori. In questo lavoro è stato anche possibile quantificare la probabilità di esposizione e l'impatto dei rifiuti per ciascuna delle principali specie di pesca a strascico. La mia tesi di dottorato fornisce un'indagine approfondita sulla distribuzione e sugli effetti dei rifiuti sul fondale marino sulla vita marina nel Mar Tirreno centrale. I metodi utilizzati convergono nel comprendere le complesse relazioni tra variabili ambientali, fattori antropici e composizione delle comunità. Questo studio migliora la nostra comprensione delle risposte degli ecosistemi marini all'accumulo di rifiuti e fornisce anche informazioni essenziali per la progettazione di strategie di conservazione e gestione efficaci per mitigare l'impatto dei rifiuti sugli ecosistemi marini.