Ice formation, growth and associated substrate supply determine sea-ice bacterial community dynamics

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-67851-8-9
Title: Ice formation, growth and associated substrate supply determine sea-ice bacterial community dynamics
Author: Eronen-Rasimus, Eeva
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences, Mikrobiologian ja biotekniikan osasto
Finnish Environment Institute, Marine Centre;Tvärminne Zoological Station, University of Helsinki
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015-05-29
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-67851-8-9
http://hdl.handle.net/10138/154541
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Sea ice, at its maximum extent, is one of the largest biomes on Earth. In addition to the polar oceans, it covers extensive sea areas at lower latitudes such as the Baltic Sea and the Sea of Okhotsk. During ice formation, organic and inorganic components in the parent seawater are concentrated into saline brines within the ice, which serve as a habitat for diverse auto- and heterotrophic organisms, including bacteria. Sea-ice bacteria are responsible for many biogeochemical processes, such as decomposition of particulate organic matter, recycling of dissolved organic matter and remineralization of nutrients, analogously to bacterially driven biogeochemical processes in the water column. Since bacterial groups vary by their metabolic traits and participation in biogeochemical processes, knowledge of the bacterial community structure and its seasonal variation is essential for an understanding of ice biogeochemistry. This thesis characterises sea-ice bacterial communities during ice formation and during the winter/spring transition phase when the community composition is poorly known. Bacterial communities in Arctic and Baltic sea ice during the winter/spring transition were studied and compared. In addition, the effect of the dissolved organic matter regime on bacterial community formation was investigated in an experimental sea-ice system with North Sea water. The main methods applied were terminal-restriction fragment length polymorphism and/or Illumina Miseq sequencing together with bacterial production and abundance measurements. During the early stages of sea-ice formation, the bacterial communities were similar to the parent water communities, suggesting that the parent water determines the initial sea-ice bacterial community composition. After congealment of the sea ice, the bacterial communities changed towards communities typical of sea ice in spring. During the winter/spring transition, members of the classes Flavobacteriia (formerly Flavobacteria), Gammaproteobacteria and Alphaproteobacteria were predominant both in Baltic and Arctic sea ice. The Baltic and Arctic sea-ice bacterial communities were significantly different; however, a few members of common sea-ice bacterial genera, such as Polaribacter and Shewanella, were closely related, pointing to similar selection in ice, regardless of differences in the prevailing environmental conditions. In the experimental system, the bacterial communities were able to respond to altered substrate availability immediately after ice formation. This indicates successful adaptation of sea-ice bacteria to major shifts in temperature and salinity during ice formation. The results of this thesis suggest that sea-ice bacterial community formation and dynamics is defined by a combination of changes in environmental conditions during sea-ice maturation and its associated substrate availability, as well as resource competition. The sea-ice habitat provides an example of the enormous capacity of bacteria to adapt to changing environments and how minor members of the bacterial community can become predominant when environmental conditions change.Merijää peittää vuosittain jopa 7% maapallon pinta-alasta muodostaen yhden maapallon suurimmista eloyhteisöistä eli biomeista. Napa-alueiden lisäksi merijäätä muodostuu vuotuisesti myös alempien leveysasteiden merialueilla, kuten Itämerellä ja Ohotanmerellä. Merijään muodostuessa, meriveteen liuenneet orgaaniset ja epäorgaaniset ainesosat väkevöityvät toisiinsa takertuneiden jääkiteiden väliin muodostaen jään sisälle pieniä suolavesikanavia ja taskuja. Suolavesikanavissa ja taskuissa elää mikroskooppisia pieneliöitä, kuten bakteereita. Merijään bakteerit osallistuvat moniin biogeokemiallisiin prosesseihin kuten partikkelimaisen orgaanisen aineksen hajotukseen sekä liuenneen orgaanisen aineksen että ravinteiden kierrätykseen samaan tapaan kuin jään alla olevassa vesipatsaassa. Bakteeriyhteisöt koostuvat erilaisten bakteerilajien populaatioista joilla kullakin on oma tehtävänsä biogeokemiallisissa kierroissa. Jotta voisimme ymmärtää eri bakteeritaksonien tehtävät merijään biogeokemiallisissa kierroissa, on selvitettävä kuinka bakteeriyhteisöt muodostuvat ja kuinka ne muuttuvat vuodenaikojen mukaan. Väitöskirjatyöni tarkoituksena oli kartoittaa bakteeriyhteisöjen rakennetta ja dynamiikkaa sekä merijään muodostuessa että kevättalvella, jolloin bakteeriyhteisön rakenne on puutteellisesti tunnettu. Näytteitä kerättiin sekä Itämereltä että Pohjoiselta jäämereltä. Bakteeriyhteisöjä tutkittiin myös kokeellisessa tutkimuksessa, jossa selvitettiin liuenneen orgaanisen aineksen laadun ja määrän vaikutusta muodostuviin bakteeriyhteisöihin. Bakteeriyhteisöjen rakennetta tutkittiin 16S rRNA geenin päätekatkokirjoanalyysillä ja DNA-jaksotuksella sekä vakiintunutta Sangerin jaksotusmenetelmää että syväjaksotusta käyttäen. Lisäksi bakteeriyhteisöjen runsautta ja aktiivisuutta tutkittiin bakteeribiomassa- ja bakteerituotantomittauksilla. Jään muodostuessa bakteeriyhteisöt olivat hyvin samankaltaisia kuin vedessä mikä viittaa lähtöveden bakteeriyhteisön määräävän jään bakteeriyhteisön koostumuksen jäätymisen alkaessa. Jääpeitteen vahvistuessa yhteisöt erilaistuivat vesiyhteisöistä ja alkoivat muistuttaa rakenteeltaan kevätjäälle tyypillisiä yhteisöjä. Sekä Itämerellä että Pohjoisella jäämerellä yhteisöissä esiintyi runsaimmin Flavobacteriia (aikaisemmin Flavobacteria), Gammaproteobacteria and Alphaproteobacteria luokkien bakteereita. Kokonaisuudessaan Itämeren ja Pohjoisen jäämeren yhteisöt olivat erilaisia, mutta yhteisöistä havaittiin myös muutamia bakteerisukuja kuten Polaribacter ja Shewanella, joiden 16S rRNA geeniä koodaavat DNA-jaksot olivat keskenään hyvin samankaltaisia (>97%). Geenien samankaltaisuus viittaa samankaltaisiin valintapaineisiin huolimatta Itämeren ja Pohjoisen jäämeren erilaisista ympäristöolosuhteista. Bakteeriyhteisöt muuttuivat kokeellisissa olosuhteissa hyvin nopeasti jäätymisen alettua kun veteen lisättiin liuennutta orgaanista ainesta. Tulos viittaa bakteerien kykyyn sopeutua nopeasti muuttuvaan suolaisuuteen ja lämpötilaan. Väitöskirjani tulosten perusteella merijään bakteeriyhteisöjen muodostumiseen ja dynamiikkaan vaikuttavat ympäristöolosuhteiden muutos jään muodostuessa ja kasvaessa, tarjolla olevan substraatin saatavuus sekä bakteerien välinen kilpailu. Merijään bakteeriyhteisöjen muodostuminen on esimerkki bakteerien huomattavasta kyvystä sopeutua muuttuviin ympäristöolosuhteisiin sekä ympäristöolosuhteiden muutoksen nopeasta heijastumisesta bakteeriyhteisöjen rakenteeseen.
Subject: mikrobiologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
iceforma.pdf 2.359Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record