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As condições contrastantes do gelo marinho moldam as redes alimentares microbianas na Baía de Hudson (Ártico canadense)

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As condições contrastantes do gelo marinho moldam as redes alimentares microbianas na Baía de Hudson (Ártico canadense)

ISME Communications volume 2,

ISME Communications volume 2, Número do artigo: 104 (2022) Citar este artigo

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A transição da cobertura de gelo para águas abertas é uma característica recorrente do Ártico e subártico, mas a diversidade microbiana e os efeitos em cascata nas redes alimentares microbianas são pouco conhecidos. Aqui, investigamos comunidades microbianas de eucariotos, bactérias e archaea na Baía de Hudson (subártica, Canadá) sob cobertura de gelo marinho e condições de águas abertas. As redes de co-ocorrência revelaram uma teia alimentar baseada em pico‒fitoplâncton <3 µm sob o gelo e uma teia alimentar baseada em nano‒microfitoplâncton >3 µm em águas abertas. As comunidades de borda de gelo eram características de condições pós-floração com altas proporções do picofitoplâncton Micromonas e Bathycoccus. Nano‒ a micro‒fitoplâncton e diatomáceas associadas ao gelo foram detectadas em toda a coluna de água, com a simpágica Melosira arctica exclusiva da baía de Hudson central coberta de gelo e Thalassiosira no noroeste aberto da baía de Hudson. Heterotróficos microbianos eucariontes e procariontes também diferiram pelo estado de gelo, sugerindo uma ligação entre micróbios em profundidade e o estado de floração do fitoplâncton na superfície. As descobertas sugerem que uma estação de águas abertas mais longa pode favorecer o estabelecimento de uma grande rede alimentar baseada em fitoplâncton na subsuperfície da clorofila máxima (SCM), aumentando a exportação de carbono de diatomáceas pelágicas para águas mais profundas e afetando níveis tróficos mais altos na profunda Baía de Hudson.

Nos últimos 30 anos, o Ártico experimentou mudanças drásticas na cobertura e extensão do gelo no verão [1, 2]. Essas mudanças são particularmente marcantes na Baía de Hudson (HB), um mar interior do Ártico para o subártico que transita da cobertura de gelo do primeiro ano no inverno para as condições de mar aberto no verão, uma situação provável para todo o Oceano Ártico em um futuro próximo. [3, 4]. Tendências de longo prazo na formação de gelo marinho e derretimento da primavera em HB mostram que a estação sem gelo aumentou em mais de 3 semanas entre 1981 e 2010 [5]. Cenários futuros para o HB prevêem que o aumento da temperatura da superfície do mar e entradas de água doce através da precipitação e descarga do rio, resultará no prolongamento contínuo da estação de águas abertas [6, 7], com consequências para a diversidade e papéis funcionais das comunidades microbianas do plâncton [8, 9].

O momento da floração do fitoplâncton na primavera, que representa o pico anual da produção primária no Ártico, está intimamente relacionado às condições do gelo [10] e as observações em andamento mostram que a floração está ocorrendo mais cedo nas regiões árticas [11, 12]. Nos últimos anos, este pico esteve na zona de gelo marginal em maio-junho durante a quebra de gelo em HB [13]. Isto é seguido pela formação de clorofila máxima subsuperficial (SCM) em águas abertas [14], que tendem a persistir no verão e no outono [15, 16]. Influenciada pelos ventos predominantes, a variabilidade nas condições do gelo na primavera cria grandes padrões espaço-temporais na produção primária entre o centro e o noroeste da HB [14].

As florações de fitoplâncton são caracterizadas por uma sucessão de espécies governadas por sua afinidade com a luz e nutrientes [17, 18]. Padrões sazonais em ciliados e dinoflagelados (microzooplâncton unicelular) também são evidentes, pois seguem de perto suas presas de fitoplâncton [19]. Além disso, a matéria orgânica liberada durante a floração do fitoplâncton e durante o subsequente colapso da floração, fornece uma série de nichos ecológicos para comunidades especializadas de bactérias heterotróficas e bacteriívoros microbianos [20,21,22]. A matéria orgânica dissolvida (DOM) liberada pelo fitoplâncton é uma fonte de substrato de alta qualidade [23,24,25] que sustenta a atividade e a diversidade bacteriana [26,27,28]. Embora a proliferação de fitoplâncton na primavera associada ao derretimento do gelo marinho em HB tenha sido documentada, os potenciais efeitos em cascata do recuo do gelo nas redes alimentares microbianas não foram explorados até o momento. Isso é de importância crítica para entender e prever a ecologia futura da HB e do Oceano Ártico, uma vez que uma modificação da cadeia alimentar microbiana pode alterar a reciclagem de nutrientes e a exportação de material orgânico para as profundezas [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>