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Condizioni contrastanti del ghiaccio marino modellano reti alimentari microbiche nella Baia di Hudson (Artico canadese)

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Condizioni contrastanti del ghiaccio marino modellano reti alimentari microbiche nella Baia di Hudson (Artico canadese)

ISME Communications volume 2,

Comunicazioni ISME volume 2, numero articolo: 104 (2022) Citare questo articolo

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La transizione dalle acque coperte di ghiaccio alle acque libere è una caratteristica ricorrente dell’Artico e del Sub-Artico, ma la diversità microbica e gli effetti a cascata sulle reti alimentari microbiche sono poco conosciuti. Qui, abbiamo studiato le comunità microbiche di eucarioti, batteri e archaea nella Baia di Hudson (sub-Artico, Canada) sotto la copertura di ghiaccio marino e in condizioni di acque aperte. Le reti di co-occorrenza hanno rivelato una rete alimentare a base di pico‒fitoplancton <3 µm sotto il ghiaccio e una rete alimentare a base di nano‒microfitoplancton >3 µm nelle acque aperte. Le comunità ai margini del ghiaccio erano caratteristiche delle condizioni post-fioritura con elevate proporzioni di picofitoplancton Micromonas e Bathycoccus. Da nano a micro fitoplancton e diatomee associate al ghiaccio sono state rilevate in tutta la colonna d'acqua, con la simpatica Melosira arctica esclusiva della Baia di Hudson centrale coperta di ghiaccio e Thalassiosira nell'aperta Baia di Hudson nordoccidentale. Anche gli eucarioti e i procarioti microbici eterotrofi differivano in base allo stato del ghiaccio, suggerendo un collegamento tra i microbi in profondità e lo stato di fioritura del fitoplancton in superficie. I risultati suggeriscono che una stagione in acque libere più lunga può favorire la creazione di una grande rete alimentare a base di fitoplancton nei massimi della clorofilla sotterranea (SCM), aumentando l’esportazione di carbonio dalle diatomee pelagiche alle acque più profonde e influenzando livelli trofici più elevati nella profonda Baia di Hudson.

Negli ultimi 30 anni, l’Artico ha subito drastici cambiamenti nella copertura e nell’estensione del ghiaccio estivo [1, 2]. Questi cambiamenti sono particolarmente marcati nella Baia di Hudson (HB), un mare interno da artico a sub-artico che passa dalla copertura di ghiaccio del primo anno in inverno alle condizioni di oceano aperto in estate, una situazione probabile per l’intero Oceano Artico nel prossimo futuro. [3, 4]. Le tendenze a lungo termine nella formazione del ghiaccio marino e nello scioglimento primaverile nell’HB mostrano che la stagione senza ghiacci è aumentata di oltre 3 settimane tra il 1981 e il 2010 [5]. Gli scenari futuri per l’HB prevedono che l’aumento della temperatura della superficie del mare e degli apporti di acqua dolce attraverso le precipitazioni e la portata dei fiumi comporterà un continuo allungamento della stagione delle acque libere [6, 7], con conseguenze sulla diversità e sui ruoli funzionali delle comunità microbiche del plancton [8, 9].

I tempi delle fioriture primaverili di fitoplancton, che rappresentano il picco annuale della produzione primaria nell’Artico, sono strettamente correlati alle condizioni del ghiaccio [10] e le osservazioni in corso mostrano che la fioritura avviene prima nelle regioni artiche [11, 12]. Negli ultimi anni, questo picco si è verificato nella zona glaciale marginale tra maggio e giugno durante la rottura del ghiaccio in HB [13]. Ciò è seguito dalla formazione di massimi di clorofilla sotterranea (SCM) in acque libere [14], che tendono a persistere in estate e in autunno [15, 16]. Influenzata dai venti dominanti, la variabilità delle condizioni del ghiaccio in primavera crea ampi modelli spazio-temporali nella produzione primaria tra l’HB centrale e nordoccidentale [14].

Le fioriture di fitoplancton sono caratterizzate da una successione di specie governate dalla loro affinità alla luce e ai nutrienti [17, 18]. Anche i modelli stagionali nei ciliati e nei dinoflagellati (microzooplancton unicellulare) sono evidenti poiché seguono da vicino le loro prede fitoplancton [19]. Inoltre, la materia organica rilasciata durante le fioriture di fitoplancton e durante il successivo collasso della fioritura, fornisce una serie di nicchie ecologiche per comunità specializzate di batteri eterotrofi e batterivori microbici [20,21,22]. La materia organica disciolta (DOM) rilasciata dal fitoplancton è una fonte di substrato di alta qualità [23,24,25] che sostiene l'attività e la diversità batterica [26,27,28]. Sebbene la fioritura primaverile del fitoplancton associata allo scioglimento del ghiaccio marino nell’HB sia stata documentata, i potenziali effetti a cascata del ritiro del ghiaccio sulle reti alimentari microbiche non sono stati finora esplorati. Ciò è di fondamentale importanza per comprendere e prevedere il futuro dell’ecologia dell’HB e dell’Oceano Artico poiché una modifica della rete alimentare microbica può alterare il riciclo dei nutrienti e l’esportazione di materiale organico in profondità [29].

2 µm) based on orange phycoerythrin fluorescence (FL2). The pico‒ and nano‒phytoplankton populations with Chl a fluorescence were segregated based on FL3, FL2 and FSC (Supplementary Fig. S1a)./p>20 µm) phytoplankton cell concentrations ranged from 8 cells ml-1 at the bottom of st16 to 4.34 103 cells ml-1 at the SCM of st44 (Supplementary Fig. S3, Table S1). At the surface, nano– and micro‒ phytoplankton cell concentrations showed no significant correlation with diatom ASVs relative abundance in the mix of diatoms and nano‒flagellates in this size category. The correlation was higher with only nano‒flagellate ASV relative abundance, but still not significant. Conversely, there was a significant linear correlation between the smallest taxa belonging to Haptophyta and Chlorophyta ASV relative abundance and pico‒phytoplankton cell concentrations from surface and SCM, with increased pico‒phytoplankton under the ice and a maximum of 1.54 105 cells ml-1 at the SCM of st18. Bacteria (prokaryote) cells showed higher concentrations in the euphotic zone than in the deeper waters, ranging from 1.44 106 cells ml-1 at the surface of st28 to 5.12 105 cells ml-1 at the SCM of st23 (Supplementary Fig. S1)./p>0.9, Spearman >0.87, mutual information >0.61 and Bray–Curtis distance <0.2. The average number of neighbors and the network density, which are two proxies for network connectivity were higher for the 70m-bottom network. Conversely, the network heterogeneity, which reflects the presence of hub nodes in the network was higher for the surface-SCM networks. The distribution of the relative abundance of nodes in the four major subnetworks reflected the regional hierarchical clustering (Supplementary Fig. S9). Nodes affiliated to Colwellia sp., Bacillariophyta and choanoflagellates were the most connected nodes in the northwestern HB subnetwork. In the central HB subnetwork, Syndiniales and Mamiellophyceae (Micromonas spp. and Bathycoccus spp.) represented most of the connected nodes. In the deep northwestern HB, Polaribacter sp., Colwellia sp. and Bacillariophyta had the highest node degree and Syndiniales, Thermoplasmata group II and III and Nitrosopumilales were the most connected nodes in deep central HB. The vertical repartition of the diatom nodes Thalassiosira (ASV 5450) and Melosira arctica (ASV 2805) assessed with rDNA but also found in rRNA showed that these taxa were present at all sampled depths (Fig. 6)./p>45% of total primary production and >85% of carbon export to the deep central Arctic (>4000 m), arriving nearly intact on the sediment surface [88]. The detection of these sympagic cells at depth in HB is consistent with a release of these algae prior sea ice breakup, and on sinking to the bottom, would provide carbon substrate directly to benthic fauna and bacteria./p>