Microbial assemblage responses to nutrient fluctuations in high mountain lakes

Abstract

Els estanys freds i oligotròfics presenten una elevada diversitat d’organismes en el plàncton microbià, tant de protists com de procariotes. La coexistència d’aquesta elevada diversitat d’organismes i de formes de vida ha canviat la teoria ecològica. Les fluctuacions ambientals, i particularment el contrast entre estacions, esdevenen una oportunitat per a la coexistència. D’acord a aquesta idea, s’ha hipotetitzat que els enriquiments de nutrients episòdics juguen un paper fonamental pel manteniment de l’elevada diversitat microbiana, especialment perquè les aportacions de nutrients al llarg de l’any consisteixen en quantitats variables de diferents compostos de fòsfor i nitrogen, proporcionant una oportunitat per a la diferenciació de nínxols. S’han utilitzat dues aproximacions per a investigar la coexistència en el plàncton microbià: observacions regulars i manipulacions experimentals en el camp. La primera consisteix en el seguiment del bacterioplàncton al llarg d’un cicle anual en un llac que temporalment es congela i la segona, en un experiment in situ d’enriquiment de nutrients. Ambdues aproximacions s’han realitzat a l’Estany Redon, un estany d’alta muntanya ultraoligotròfic i profund que resta cobert per gel la meitat de l’any. En el Capítol 2, es descriuen els canvis estacionals observats en el bacterioplàncton. En els Capítols 3 i 4, s’investiguen les respostes específiques a l’enriquiment episòdic de nutrients en protists i bacteris, mitjançant tancats d’auto-ompliment i addicions de P i N. En el Capítol 2 es planteja un nou paradigma per explicar els canvis estacionals del bacterioplàncton en els llacs que estacionalment es glacen. En contraposició amb el tradicionalment assumit que els conjunts d’espècies es van substituint estacionalment, hi va haver un nucli d’espècies que es va desenvolupar principalment durant el període cobert de gel que era resistent i resilient a les elevades radiacions del període d’estiu. Un conjunt diferenciat es va desenvolupar per poc temps a l’epilimnion durant el període lliure de gel, treien avantatge de les condicions poc favorables pel conjunt d’espècies que trobarem a la columna d’aigua del llac durant la major part de l’any. L’experiment ENEX pretenia investigar la relació entre l’enriquiment episòdic de nutrients i la coexistència d’espècies. Pel que fa a la comunitat de protists (Capítol 3), el P va ser l’element limitant que va fomentar la competència entre espècies, mentre que el N va participar en mecanismes d’estabilització del nínxol. Moltes de les espècies que creixen en el llac en diferents moments de l’any es van recuperar durant l’experiment fet amb aigües epilimnètiques, demostrant que, encara que en abundàncies indetectables, les espècies tenen la capacitat de persistir en la columna d’aigua durant llargs períodes de temps i recuperar-se ràpidament des de les baixes densitats quan les condicions de nutrients els hi son favorables. Pel que fa al bacterioplàncton (Capítol 4), també es va donar un increment de biomassa a l’enriquir amb P. No obstant, en comparar-ho amb el cicle anual natural del llac es demostra que la resposta venia sobretot donada pel creixement del fitoplàncton i la major disponibilitat de carboni orgànic dissolt. Hi va haver poca segregació dels bacteris entre condicions de nutrients a un nivell taxonòmic alt (classe); no obstant, OTUs propers es van segregar al llarg del gradient de P i fonts de N indicant una diferenciació dels nínxols que pot promoure la coexistència. La tesi demostra el paper clau dels enriquiments episòdics de nutrients de composició variada per a mantenir una coexistència no-equilibrada estable a llarg termini en la comunitat planctònica microbiana.

Los lagos oligotróficos fríos contienen una gran diversidad de organismos microbianos planctónicos, protistas y procariotas. La coexistencia de una variedad tan grande de organismos y formas vivas ha desafiado la teoría ecológica. Las fluctuaciones ambientales, particularmente el contraste entre estaciones, se han señalado como una oportunidad para la convivencia. Como base de esta tesis, se planteó la hipótesis de que los enriquecimientos episódicos de nutrientes desempeñan un papel importante en el mantenimiento de una diversidad microbiana tan alta, particularmente porque las cargas de nutrientes durante todo el año consisten en diferentes cantidades y combinaciones de compuestos de fósforo y nitrógeno, lo que brinda una oportunidad para Diferenciación de nicho de nutrientes.

Se utilizaron dos enfoques para investigar la coexistencia microbiana planctónica: observaciones regulares de campo y manipulaciones de campo experimentales. El primero involucró el monitoreo de un ciclo anual de la comunidad de bacterioplancton en un lago congelado estacionalmente y el segundo, un experimento de enriquecimiento de nutrientes in situ utilizando mesocosmos. Ambos enfoques se llevaron a cabo en el lago Redon, un lago ultraoligotrófico y profundo de alta montaña, que permanece cubierto de hielo durante aproximadamente medio año. En el Capítulo 2, se describen los cambios estacionales de la comunidad bacterioplanctónica. En los capítulos 3 y 4, se investigan las respuestas específicas de protistas y bacterias a los enriquecimientos episódicos de nutrientes utilizando mesocosmos de auto-llenado y adiciones de P y N.

En el Capítulo 2 se sugiere un nuevo paradigma para los cambios estacionales de bacterioplancton en lagos cubiertos de hielo estacionalmente. En contraste con el reemplazo estacional del ensamblaje tradicionalmente asumido, existe un núcleo de ensamblajes de bacterioplancton que se desarrolla fundamentalmente durante el período cubierto de hielo, que es resistente o resistente a las condiciones de alta irradiación de la temporada de verano. Se desarrolla un ensamblaje diferente en el epilimnion durante la temporada libre de hielo durante un período corto, aprovechando la oportunidad de condiciones inadecuadas para los ensambles centrales que proliferan en la mayor parte de la columna de agua durante la mayor parte del año.

El experimento ENEX tuvo como objetivo investigar la relación entre los enriquecimientos episódicos de nutrientes y la coexistencia de especies. Con respecto a la comunidad protista (Capítulo 3), P fue el nutriente limitante para las especies que fomentaba la competencia, mientras que N estuvo involucrado en mecanismos de estabilización de nicho. La mayoría de las especies que crecen en diferentes períodos del año se recuperaron durante el experimento de aguas epiliméticas, lo que demuestra que, aunque en abundancias indetectables, las especies tienen la capacidad de persistir durante largos períodos en la columna de agua y recuperarse rápidamente de bajas densidades cuando las condiciones son favorables y los nutrientes requeridos están presentes.

Con respecto al bacterioplancton (Capítulo 4), también hubo un marcado aumento de la biomasa para el enriquecimiento de P. Sin embargo, la comparación con el ciclo natural del lago mostró que la mayor parte de la respuesta fue mediada por el crecimiento del fitoplancton y la mayor disponibilidad de carbono orgánico lábil. Hubo poca segregación en los altos rangos taxonómicos (es decir, clases) de las bacterias en condiciones de nutrientes; sin embargo, OTU de la misma familia se segregaron a través del gradiente P y las fuentes de forma N indicando una diferenciación de nicho que puede promover la convivencia.

La tesis demuestra el papel clave de los enriquecimientos episódicos de nutrientes para mantener una coexistencia estable en desequilibrio en comunidades microbianas planctónica.

Cold, oligotrophic lakes hold a large diversity of planktonic microbial organisms, protists and prokaryotes. The coexistence of such a large variety of organisms and living forms has challenged the ecological theory. The environmental fluctuations, particularly the contrast between seasons, have been pointed as an opportunity for coexistence. As the bases of this thesis, it was hypothesized that episodic nutrient enrichments play a major role in the maintenance of such high microbial diversity, particularly because nutrient loadings throughout the year consist in different amounts and combinations of phosphorus and nitrogen compounds, providing an opportunity for nutrient niche differentiation.

Two approaches were used to investigate the planktonic microbial coexistence: field regular observations and experimental field manipulations. The first involved the monitoring of one annual cycle of the bacterioplankton community in a seasonally frozen lake and the second, an in situ nutrient enrichment experiment using enclosures. Both approaches were carried out in Lake Redon, an ultraoligotrophic deep high mountain lake that is ice-covered for about half a year. In Chapter 2, the seasonal changes of the bacterioplankton community are described. In Chapter 3 and 4, the protist- and bacteria-specific responses to episodic nutrient enrichments are investigated using self-filling enclosures and P and N additions.

A new paradigm for bacterioplankton seasonal changes in seasonally ice-covered lakes is suggested in Chapter 2. In contrast to the traditionally-assumed assemblage seasonal replacement, there is a core of bacterioplankton assemblages developing fundamentally during the ice-covered period, which is resistant or resilient to the high irradiances conditions of the summer season. A different assemblage develops in the epilimnion during the ice-free season for a short period, taking the opportunity of unsuitable conditions for the core assemblages that proliferate in most of the water column during most of the year.

The ENEX experiment aimed to investigate the relationship between episodic nutrient enrichments and species coexistence. Concerning the protist community (Chapter 3), P was the limiting nutrient promoting species competition, while N was involved in niche stabilizing mechanisms. Most of the species typically growing at different periods of the year were recovered during the experiment from epilimnetic waters, showing that, although at undetectable abundances, species have the capacity to persist for long periods in the water column and quickly recover from low densities when favourable nutrient conditions are present.

Concerning bacterioplankton (Chapter 4), there was also marked biomass increase to P enrichment. However, the comparison with the natural cycle in the lake showed that most of the response was mediated by the phytoplankton growth and the higher availability of labile organic carbon. There was little segregation at high taxonomic ranks (i.e., classes) of the bacteria across nutrient conditions; however, OTUs from the same family segregated across the P gradient and N form sources indicating niche differentiation that can promote coexistence.

The thesis demonstrates the key role of episodic nutrient enrichments of varying composition for maintaining long-term stable non-equilibrium coexistence in the planktonic microbial community.