Functional and Taxonomic Diversity in Maritime Antarctic Lakes

El área conocida como Península Byers (Isla Livingston, Antártida) se caracteriza por ser una de las zonas libres de hielo más grandes de la Antártida marítima, mostrando un importante número de cuerpos de agua libres de hielo durante el verano austral. Estas características y su estatus como zona Antártica de especial protección (ASPA) han convertido a la Península Byers en un sitio de referencia para estudios limnológicos en la Antártida marítima. La presente tesis trata sobre el estudio de los lagos ubicados en la Península Byers, centrándose en el lago Limnopolar, utilizado como modelo para estudios limnológicos durante las últimas décadas. El estudio de la heterogeneidad ambiental en los lagos de la Península Byers ha mostrado la existencia de un fuerte contraste en el estado trófico de los lagos estudiados, claramente influenciado por los aportes externos de nutrientes y los procesos de remoción propios del sedimento. La heterogeneidad ambiental observada en los lagos de la Península Byers la podemos relacionar estrechamente con la composición bacteriana en estos sistemas, de esta forma lagos con mayor estado trófico muestran la menor diversidad de grupos bacterianos. Adicionalmente, el estudio de la actividad fisiológica sobre el aprovechamiento de carbono por parte del bacterioplancton en los lagos de la Península Byers, ha evidenciado diferencias claras en sus perfiles metabólicos. Estos pueden relacionarse con el origen de la materia orgánica y la relación de cada lago con su cuenca, flora y fauna. Nuestros resultados revelan un patrón mediante el cual los lagos con mayor estado trófico presentan patrones con mayor diversidad metabólica, y por el contrario una menor diversidad de taxones (OTUs) bacterianos El seguimiento de la meteorología de la zona y de las características del Lago Limnopolar desde 2001 hasta 2009 ha revelado la existencia de una elevada variabilidad meteorológica en esta área de la Antártida marítima, con temperaturas muy dispares entre distintos veranos, lo cual afecta directamente al deshielo y la duración del periodo productivo en el lago. La abundancia del bacterioplancton heterotrófico en el Lago Limnopolar presenta una dinámica cambiante entre los diversos años estudiados, lo cual puede estar directamente relacionado con la disponibilidad de carbono orgánico y la duración del periodo productivo. Los estudios sobre la actividad fisiológica en el Lago Limnopolar han mostrado esta variación, destacando la significativa correlación existente entre la abundancia del bacterioplankton y la concentración de los diferentes compuestos de carbono orgánico disuelto. Adicionalmente, la composición de la comunidad bacteriana en el Lago Limnopolar presenta una marcada heterogeneidad vertical a pesar de no existir una estratificación física. El análisis de las secuencias obtenidas en el Lago Limnopolar ha revelado que el origen, composición y abundancia de la materia orgánica afecta directamente a la composición de grupos bacterianos en el lago, lo cual se acaba traduciendo en una “estratificación biológica”. Las tasas de producción del fitoplancton y del bacterioplancton en el Lago Limnopolar muestran un claro desacoplamiento. De esta forma, los aportes externos de carbono orgánico por parte de los tapetes microbianos, junto con contribuciones de carbono orgánico por parte los musgos bentónicos contribuyen a la producción bacteriana en el lago y mantienen el desacoplamiento entre la producción primaria y bacteriana. Asi mismo, los experimentos de manipulación in-situ llevados a cabo en el lago Limnopolar han demostrado la rápida respuesta de la comunidad planctónica a la fertilización y la estrecha relación del fitoplancton con la disponibilidad de luz (incluido el exceso que provoca fotoinhibición) y de nutrientes durante el verano austral. Sin embargo, la respuesta de la comunidad de bacterioplancton en el aprovechamiento de glucosa parece no ser muy relevante, lo cual puede estar relacionado con la existencia de especies bacterianas especialistas. Por otro lado el estudio de la epibiosis sobre crustáceos planctónicos en el Lago Limnopolar ha demostrado la existencia de una estrategia nutricional por parte de las algas epibiontes, compuestas principalmente por diatomeas y euglenófitas, en respuesta a condiciones extremas de oligotrofia. En esta situación, parece claro que la epibiosis actúa como una estrategia eficiente cuando disminuye la disponibilidad de nutrientes. A partir de los resultados obtenidos en el seguimiento del Lago Limnopolar y con objetivo de monitorizar la dinámica del mismo, se llevó a cabo un modelo ecológico. Nuestro modelo muestra el claro control que ejerce la temperatura sobre la dinámica del bacterioplancton y sobre la disponibilidad de fuentes de carbono, principalmente en la forma de carbono orgánico disuelto (DOC). Sin embargo el uso y la interpretación de los resultados obtenidos por el modelo deben ser tratados con cautela debido a la elevada heterogeneidad interanual en el clima de la Península Byers.

Byers Peninsula (Livingston Island, Antarctica) is one of the largest ice-free areas in the maritime Antarctica, displaying an important number of ice-free water bodies during the austral summer. These features, as well as its status as Antarctic Special Protected Area (ASPA), featured Byers as a reference site for Limnological studies in maritime Antarctica. This thesis deals with the study of the lakes located in Byers Peninsula, focusing our attention in Lake Limnopolar, used as a model lake for limnological studies during the last two decades. Primarily, our studies were focused on the environmental heterogeneity of the lakes and ponds of Byers Peninsula, showing a contrasting trophic status among these lakes, which was strongly determined by the external inputs of nutrients and the internal removal processes from the lake sediment. This environmental heterogeneity was also reflected in the composition of bacterial community, with lakes displaying higher trophic status showing the lower bacterioplankton diversity. Additionally, the study of the consumption of different carbon sources by bacterioplankton, evidenced differences among the studied lakes in their consumption profiles, that can be related to the origin of the organic matter and the relation of each lake with their catchment, flora and fauna. Our results revealed a pattern by which lakes with the highest trophic status also showed the highest diverse physiological activity, contrarily to the diversity of bacterial taxa that dropped as trophic status increased. Continuous meteorological monitoring in the area and the study of Lake Limnopolar from 2001 to 2009 has revealed a high variability of meteorological features in this area of maritime Antarctica, with summers with different average temperatures that directly affect the ice melt and the length of the productive period. Accordingly, the bacterioplankton community of Lake Limnopolar shows changing dynamics between different summers. This feature could be directly related to the availability of organic carbon and the length of the productive period. The physiological studies on Lake Limnopolar also evidenced this changing pattern, showing a statistically significant correlation between bacterioplankton abundance and the concentration of the different dissolved organic carbon compounds. Also, the bacterial community from in Lake Limnopolar shows a differential vertical distribution even though a physical and chemical vertical gradient did not appeared. The analysis of the bacterial sequences retrieved from the lake revealed that the origin, composition and abundance of the organic matter are directly affecting the bacterial composition in the lake and the appearance of this “biological stratification”. Phytoplankton and bacterioplankton production rates in Lake Limnopolar display a clear uncoupling. Allochthonous contributions of organic carbon from microbial mats, along with autochthonous contributions of organic carbon from benthic mosses, subsidize the planktonic bacterial production in Lake Limnopolar. Manipulative in-situ experiments performed in Lake Limnopolar have demonstrated the response of the planktonic community to fertilization processes and the strong relationship of phytoplankton growth and inorganic carbon fixation with light (including photoinhibition when excessive) and nutrient availability. Bacterioplankton, however, seems to be less responsive to glucose enrichment treatments, which can be related to the existence of specialist bacterial species. On the other hand, the study of the epibiosis on crustacean zooplankton in Lake Limnopolar has demonstrated the existence of a nutritional strategy of the algal epibionts, mainly composed by diatoms and euglenophytes, in response to extreme oligotrophic conditions. In this situation, epibiosis acts as efficient strategy when nutrient availability is low. To summarize the obtained results and monitor Lake Limnopolar dynamics, an ecological model was developed. Our model clearly shows the control exerted by the temperature on the bacterioplankton dynamics and the availability of carbon sources, mainly dissolved organic carbon (DOC). However, the use and interpretation of the developed model should be taken with care due to the high interannual meteorological heterogeneity in Byers Peninsula.