Geochemical and mineralogical studies to assess the significance of temperate coralline algae as paleoclimate archives

Calcareous red algae are globally distributed foundation species and ecosystem engineers. The morphology of cells, reproductive structures, and thallus organisation are commonly used for their classification using Scanning Electron Microscopy (SEM). Nonetheless, due to their general plasticity, species identification based on morphology frequently leads to uncertainty and the advances in molecular phylogeny produced numerous cases of systematic revisions. These algae have been featured in evolutionary and environmental studies for their ecological significance in both recent and past oceans. Paleoecological and paleoenvironmental reconstructions relying on organisms’ associations and geochemical proxies need proper species-specific calibrations and must rely on robust taxonomy. Investigating the cell wall ultrastructure has been the first goal of this research to develop new potential diagnostic tools for species identification while unveiling new insights into the principles governing the calcification mechanisms. A new deep learning approach and highly resolved analyses on SEM images indicate a high diagnostic value of calcification patterns, which contribute significantly to species segregation. The second goal of this research was to test geochemical proxies in diverse species, with particular attention to the boron (B) element. The B/Ca ratio in calcareous marine species provides information about past seawater CO2 concentrations. Spectrometric analyses of Mg, Sr, Li, and B were performed at seasonal resolution on samples collected from various geographic settings and depths across the Mediterranean Sea and the Atlantic Ocean. Unlike Mg, Li and Sr, fluctuations in B/Ca did not mirror yearly seasonal temperature oscillations, excluding a significant temperature influence. Nevertheless, the direct proportion between growth rates and B/Ca values suggested a growth rate influence over B incorporation. The boron isotope-pH proxy was tested on calcareous red algae grown in naturally acidified ecosystems near CO2 seeps. A multi-specific calibration of boron isotopes was also proposed using previously published data on cultured coralline algae and new data from wild-grown specimens, significantly increasing the range over which boron isotopes have previously been calibrated in the literature. A crystallographic control over B incorporation was confirmed by the different isotopic compositions of aragonitic and calcitic algae, and an up-regulation of the calcifying fluid pH was observed. Analyses on B speciation also revealed a significant percentage of trigonal boron in calcareous red algae, higher in calcites (∼40%), questioning direct and exclusive incorporation of aqueous borate, which is the main hypothesis of current proxy reconstructions.

Le alghe rosse calcaree sono organismi bio-costruttori distribuiti a livello globale e ingegneri dell'ecosistema. La morfologia delle cellule, delle strutture riproduttive e l'organizzazione del tallo sono comunemente utilizzati per la loro classificazione usando la microscopia elettronica a scansione (SEM). Tuttavia, data la loro generale plasticità, l'identificazione delle specie su base morfologica porta spesso a incertezza e i progressi nella filogenesi molecolare hanno prodotto numerosi casi di revisioni sistematiche. Queste alghe sono usate in studi evolutivi e ambientali per il loro elevato significato ecologico negli oceani recenti e passati. Le ricostruzioni paleoecologiche e paleoambientali che si basano sulle associazioni di organismi e sui proxy geochimici necessitano di adeguate calibrazioni specie-specifiche e devono pertanto fare affidamento su una tassonomia affidabile. Investigare l'ultrastruttura della parete cellulare è stato il primo obiettivo di questa ricerca per sviluppare nuovi potenziali strumenti diagnostici per l'identificazione delle specie, svelando anche nuove informazioni sui principi che regolano i meccanismi di calcificazione. Un nuovo approccio di deep learning e analisi ad alta risoluzione di immagini SEM indicano un elevato valore diagnostico dei tratti di calcificazione, che contribuiscono in modo significativo alla segregazione delle specie. Il secondo obiettivo di questa ricerca è stato quello di testare proxy geochimici in diverse specie, con particolare attenzione all’elemento boro (B). Il rapporto B/Ca nelle specie marine calcaree fornisce informazioni su concentrazioni passate di CO2 nell'acqua di mare. Sono state eseguite analisi spettrometriche di Mg, Sr, Li e B a risoluzione stagionale su campioni prelevati da diversi contesti geografici e profondità nel Mar Mediterraneo e nell'Oceano Atlantico. A differenza di Mg, Li e Sr, le fluttuazioni in B/ Ca non rispecchiano le oscillazioni stagionali annuali di temperatura, escludendo una sua significativa influenza. Tuttavia, la proporzione diretta tra tassi di crescita e valori di B/Ca suggerisce un'influenza del tasso di crescita sull'incorporazione di B. Gli isotopi di boro, proxy del pH, sono stati testati su alghe rosse calcaree cresciute in ecosistemi naturalmente acidificati vicino a sorgenti di CO2. È stata inoltre proposta una calibrazione multi-specifica degli isotopi di boro utilizzando dati precedentemente pubblicati su colture di alghe coralline e nuovi dati provenienti da esemplari prelevati in natura, aumentando significativamente il range entro il cui gli isotopi di boro sono stati precedentemente calibrati in letteratura. Un controllo cristallografico sull'incorporazione di B è stato confermato dalle diverse composizioni isotopiche delle alghe aragonitiche e calcitiche e si è osservato un up-regulation del pH del fluido calcificante. Le analisi sulla speciazione B hanno anche rivelato una percentuale significativa di boro trigonale nelle alghe rosse calcaree, più alta nelle calciti (circa il 40%), mettendo in discussione l'incorporazione diretta ed esclusiva di borato acquoso, che è l'ipotesi principale delle attuali ricostruzioni di pH.