Εφαρμογή οικολογικών και μοριακών μεθόδων στη μελέτη ξενικών ειδών της Ανατολικής Μεσογείου, με έμφαση στα βενθικά μακροασπόνδυλα

Abstract

The Eastern Mediterranean Sea is a global hotspot for marine bioinvasions due to its central role in international maritime trade. The rising sea temperature due to climate change and the introduction and establishment of non-indigenous species (NIS) at an unprecedented scale are causing the rapid "tropicalization" of the Eastern Mediterranean. This thesis explores the path of these invasions, tracing NIS from their initial arrival on maritime vectors to their colonization of natural habitats. Specifically, it examines the distribution, introduction pathways, and expansion of Non-Indigenous Species (NIS) across this region, with a particular focus on shipping vectors. Chapter 1 reviews the current NIS distribution in Eastern Mediterranean ports, marinas, and ferry ports in the Eastern Mediterranean and then documents the current distribution of NIS recorded, while simultaneously identifying critical invasion hotspots in the Saronikos and Heraklion Gulfs and pathways.Chapter 2 analyzes the taxonomic composition of biofouling communities on commercial ship hulls in the most frequently visited anchorage area in Greece, located in the Saronikos Gulf, using both morphological and molecular techniques. The results revealed a high-volume continuous invasion process dominated by Arthropoda, demonstrating that shipping remains an active and persistent source of both established and potential new invaders.Building on these findings, Chapter 3 applies a phylogenetic approach to trace the introduction and expansion of selected macroinvertebrate NIS from ship hulls into surrounding marine habitats and to evaluate their establishment success. The results showed that certain "plastic" bivalves, particularly Isognomon bicolor and Malleus cf. regula, have successfully spread beyond port environments and now dominate natural habitats. Finally, to overcome limitations of single-species approaches, Chapter 4 implements a multi-substrate environmental DNA and DNA metabarcoding approach to assess NIS distribution across diverse habitats in the Eastern Mediterranean. The findings confirm a clear regional divergence in both total and alien taxa, with an Arthropoda-dominated signature in the Saronikos Gulf versus a Mollusca-dominated signature in Heraklion Gulf. Crucially, the detection of putative taxa (e.g., Nematoda, Sipuncula) highlights a significant "surveillance gap," revealing a hidden layer of invaders that remains taxonomically undetectable through traditional monitoring methods. This research demonstrates that a single-matrix monitoring approach is insufficient for the complex Mediterranean environment and that future biosecurity must adopt an adaptive framework that prioritizes bulk-DNA scrapings, while utilizing the recruitment capacity of settlement plates to track expansion into natural areas. These findings provide a novel genomic framework for the early detection and management of NIS and maritime trade-related invasions in the Eastern Mediterranean.

Η Ανατολική Μεσόγειος αποτελεί ένα παγκόσμιο επίκεντρο θαλάσσιων βιολογικών εισβολών, γεγονός που οφείλεται στον κομβικό της ρόλο στο διεθνές θαλάσσιο εμπόριο και τις παγκόσμιες μεταφορές. Καθώς η περιοχή υφίσταται ταχεία «τροπικοποίηση» λόγω των μεταβαλλόμενων περιβαλλοντικών συνθηκών, η εισαγωγή και εγκατάσταση μη ενδημικών ειδών (Non-Indigenous Species) έχει λάβει πρωτοφανείς διαστάσεις. Η παρούσα διατριβή διερευνά σφαιρικά τη διαδρομή αυτών των ειδών, παρακολουθώντας τα σταδιακά από την αρχική τους άφιξη μέσω ναυτιλιακών φορέων έως την τελική αποίκιση των κοντινών φυσικών ενδιαιτημάτων. Συγκεκριμένα, εξετάζει την κατανομή, τους μηχανισμούς εισαγωγής και τα πρότυπα εξάπλωσής τους στην Ανατολική Μεσόγειο, θέτοντας στο επίκεντρο της έρευνας τους ναυτιλιακούς τρόπους μεταφοράς μη ενδημικών ειδών. Το Κεφάλαιο 1 καταγράφει και αξιολογεί συστηματικά λιμένες, μαρίνες και τοπικά λιμάνια της Ανατολικής Μεσογείου. Μέσα από την τεκμηρίωση της τρέχουσας γεωγραφικής κατανομής των καταγεγραμμένων NIS, αναδεικνύονται κρίσιμες εστίες (hotspots) εισβολής, με πλέον χαρακτηριστικά παραδείγματα τον Σαρωνικό Κόλπο και τον Κόλπο του Ηρακλείου, περιοχές που δέχονται έντονη ναυτιλιακή πίεση. Το Κεφάλαιο 2 αναλύει τη μεταφορά και την ταξινομική σύνθεση των βιοεπικαθήμενων κοινοτήτων (biofouling communities) στα ύφαλα εμπορικών πλοίων, εστιάζοντας στην πιο πολυσύχναστη περιοχή αγκυροβολίας της Ελλάδας, το Σαρωνικό Κόλπο. Με τη χρήση συνδυαστικών μορφολογικών και μοριακών τεχνικών, τα αποτελέσματα καταδεικνύουν μια συνεχή διαδικασία εισβολής υψηλής έντασης, στην οποία κυριαρχούν τα Αρθρόποδα. Το εύρημα αυτό αποδεικνύει έμπρακτα ότι η ναυτιλία παραμένει μια ενεργή και διαρκής πηγή τόσο ήδη εγκατεστημένων όσο και δυνητικά νέων ξενικών ειδών για την περιοχή. Βασιζόμενο σε αυτά τα ευρήματα, το Κεφάλαιο 3 εφαρμόζει μια φυλογενετική προσέγγιση με σκοπό την ιχνηλάτηση της εισαγωγής και εξάπλωσης επιλεγμένων ξενικών μακροασπονδύλων από τα ύφαλα των πλοίων προς τα γειτονικά φυσικά θαλάσσια ενδιαιτήματα, αξιολογώντας παράλληλα την επιτυχία εγκατάστασής τους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ορισμένα οικολογικά δίθυρα μαλάκια, και ιδιαίτερα τα είδη Isognomon bicolor και Malleus cf. regula, έχουν εξαπλωθεί επιτυχώς πέρα από τα λιμενικά περιβάλλοντα και πλέον κυριαρχούν ανταγωνιστικά σε ανοιχτά φυσικά ενδιαιτήματα. Τέλος, προκειμένου να ξεπεραστούν οι περιορισμοί των κλασικών προσεγγίσεων που βασίζονται στην εξέταση μεμονωμένων ειδών, το Κεφάλαιο 4 εφαρμόζει μια πρωτοποριακή πολυ-υποστρωματική προσέγγιση περιβαλλοντικού DNA (eDNA) και μεταγονιδιωματικής ανάλυσης DNA (bulk DNA metabarcoding). Στόχος είναι η σφαιρική αξιολόγηση της κατανομής των μη ενδημικών ειδών σε ποικίλα ενδιαιτήματα της Ανατολικής Μεσογείου. Τα ευρήματα επιβεβαιώνουν μια σαφή διαφοροποίηση, τόσο στη συνολική όσο και στην ξενική πανίδα, με εμφανή την κυριαρχία των Αρθροπόδων στον Σαρωνικό Κόλπο και των Μαλακίων στον Κόλπο του Ηρακλείου. Ιδιαίτερα σημαντική αποδείχθηκε η ανίχνευση δυνητικά ξενικών ταξινομικών ομάδων, η οποία ανέδειξε ένα σοβαρό κενό στην παραδοσιακή βιοπαρακολούθηση, αποκαλύπτοντας ένα επίπεδο οργανισμών που παραμένει ταξινομικά μη ανιχνεύσιμο μέσω των κλασικών μεθόδων παρακολούθησης. Η παρούσα έρευνα καταδεικνύει ότι μια στρατηγική παρακολούθησης βασισμένη σε μία μόνο δειγματοληπτική προσέγγιση είναι ανεπαρκής για το εξαιρετικά σύνθετο μεσογειακό περιβάλλον. Η μελλοντική θαλάσσια βιοπαρακολούθηση οφείλει να υιοθετήσει ένα δυναμικό, προσαρμοστικό πλαίσιο διαχείρισης. Αυτό το πλαίσιο θα πρέπει να δίνει σαφή προτεραιότητα στις μαζικές αποξέσεις οργανισμών (bulk DNA) για την έγκαιρη ανίχνευση, αξιοποιώντας παράλληλα την υψηλή ικανότητα στρατολόγησης των πλακών καθίζησης (settlement plates) για την αποτελεσματική παρακολούθηση της εξάπλωσης των ειδών σε φυσικές περιοχές. Τα ευρήματα αυτά προσφέρουν ένα νέο, ισχυρό γονιδιωματικό υπόβαθρο για την έγκαιρη διάγνωση και διαχείριση των ξενικών ειδών και των θαλάσσιων εισβολών που σχετίζονται άμεσα με τη ναυτιλιακή κίνηση στην Ανατολική Μεσόγειο.