Efectos de variables ambientales sobre comunidades de microorganismos en ambientes acuáticos generados por la retracción glaciar

Abstract

Los ambientes glaciares son muy vulnerables al cambio climático. El incremento de las temperaturas y la modificación del régimen de precipitaciones son las principales causas del acelerado retroceso de los glaciares. Estos cambios en la dinámica de los glaciares afectan al ambiente acuático y terrestre que los rodea, remodelándose todo el paisaje periglaciar incluyendo la formación de nuevos lagos y arroyos de cabecera. Por otra parte, también se modifican los ingresos de las aguas de derretimiento cargadas con arcillas glaciares, ocasionando cambios físicos, químicos y biológicos que afectarán a los ambientes acuáticos situados más abajo. En esta tesis se analizaron a las comunidades microbianas de los ambientes generados y afectados por la retracción del sistema glaciar Monte Tronador (Patagonia, Argentina), incluyendo ambientes lóticos (arroyos) y lénticos (un lago proglaciar y lagunas periglaciares). Para conocer la composición de la comunidad microbiana se emplearon técnicas de secuenciación masiva y análisis bioinformático. Para examinar el efecto de las variables ambientales se determinaron parámetros físicos y químicos. Los efectos individuales o combinados de estas variables en la composición comunitaria fueron analizados mediante diferentes análisis estadísticos. La Tesis se estructuró en seis capítulos. El río Manso Superior representa la cuenca de drenaje más importante del Monte Tronador. En el primer capítulo, se analizó a la composición de las comunidades bacterianas del biofilm y su variación estacional en la cuenca del río Manso Superior. La composición de la comunidad bacteriana del biofilm varía tanto en el eje longitudinal como en las estaciones del año. La influencia glaciar está estrechamente relacionada con la variación longitudinal a lo largo de la cuenca. A medida que se incrementa la distancia al glaciar, se observa una disminución de la concentración de arcillas glaciares (determinada como sólidos totales en suspensión: STS) que atenúan la luz, y aportan fósforo. El aumento de la influencia glaciar favoreció a filotipos de Proteobacteria (Polaromonas, Rhodoferax, y Methylotenera) que fueron identificados como exclusivos del tramo de cabecera de la cuenca más cercano al glaciar. En el capítulo II se analizó a la composición de las comunidades de procariotas del lago Ventisquero Negro, un lago proglaciar que aún está en contacto con el glaciar Ventisquero Negro. El estudio reveló que los géneros más abundantes fueron CL 500-29 marine group, Tabrizicola, Parablastomonas, Rhodovastum, SAR11 clado III, Caulobacter y la familia Acetobacteraceae, siendo todos significativamente afectados por variables ambientales como el coeficiente de extinción lumínico de radiación fotosintéticamente activa (Kd PAR), el fósforo disuelto total (PDT) y la temperatura. Se observaron variaciones en la composición de procariotas entre las diferentes ocasiones de muestreo, pero no entre los niveles de profundidad analizados. Los resultados indican que el ingreso de aguas de derretimiento y su efecto sobre la transparencia del agua, nutrientes y temperatura influyen sobre la composición de las comunidades afectando diferencialmente a determinados grupos y/o géneros. En el capítulo III se caracterizó a las comunidades de procariotas de lagunas periglaciares ubicadas a distintas altitudes: 1000 m s.n.m., en los alrededores del glaciar Ventisquero Negro y 1903 m s.n.m., en los alrededores del Refugio Otto Meilling situado entre los glaciares Castaño Overa y Alerce. Las lagunas ubicadas a diferente altitud presentaron parámetros ambientales y comunidades bacterianas diferentes. Las lagunas de 1000 m s.n.m. presentaron mayores valores de STS, conductividad, nutrientes disueltos y clorofila, mientras que las de 1903 m s.n.m. se caracterizaron por una baja concentración de sólidos en suspensión (mayor transparencia y menor concentración de nutrientes). Bajo estas condiciones registramos géneros como Sphingomonas, Sandarakinorhabdus, Sphingorhabdus, entre otros. En consecuencia, la variable que más contribuye a la separación de las lagunas y a la composición de las comunidades bacterianas es la concentración de STS. En el capítulo IV determinamos el microbioma central o “core” de los ambientes lénticos analizados en esta Tesis: lago Ventisquero Negro, lagunas de 1000 m s.n.m. y lagunas de 1903 m s.n.m. Este conjunto de especies se comparte entre los ambientes acuáticos afectados por glaciares del Monte Tronador. El conjunto de taxones core está integrado por 35 ASVs y está dominado por Proteobacteria, un filo que frecuentemente domina en ambientes glaciares y por Cyanobacteria. Dentro de Proteobacteria, el género Sphingomonas fue el dominante. Este microbioma central también estuvo influenciado por la concentración de STS que, como ya se indicó, es un parámetro muy relacionado con la influencia glaciar. El ciclo biogeoquímico del Nitrógeno es eminentemente bacteriano, y el hecho que las arcillas arrastren fósforo como principal nutriente nos hizo centrarnos en este ciclo. Por ello, en el capítulo V exploramos el potencial funcional de las comunidades bacterianas mediante un software de predicción de metagenoma. Se determinó la abundancia predicha de genes funcionales asociados a las vías del ciclo del nitrógeno en los ambientes acuáticos lénticos del Monte Tronador analizados en los capítulos anteriores (capitulo II y III). La mayor cantidad de vías metabólicas y abundancia de genes funcionales se observó en el lago Ventisquero Negro. Los genes asociados con la reducción de nitrato asimilatoria y la reducción disimilatoria, de nitrato a amoníaco fueron los más abundantes. Se observó que ciertas vías presentaron correlaciones positivas con la concentración de STS, con lo cual podemos inferir que las arcillas son una importante fuente de nutrientes y cofactores para algunas vías implicadas en el ciclo del nitrógeno. Por último, en el capítulo VI se analizó la diversidad de organismos eucariotas en cuerpos agua lénticos del Monte Tronador con condiciones de transparencia contrastantes. Para ello seleccionamos el lago Ventisquero Negro y las lagunas periglaciares de 1903 m s.n.m. La composición de eucariotas difiere entre los sitios y nuevamente la variable ambiental más influyente fue la concentración de STS. La composición de los eucariotas en el lago Ventisquero Negro está dominada por Chlorophyta, siendo el filotipo más abundante Chamydomonas. En las lagunas, dominaron dinoflagelados tales como Yihiella yeosuensis, Parvodinium, y Baldinia, cuya presencia se asocia al derretimiento de hielo y nieve. La conclusión final de esta Tesis señala que los cambios en la concentración de sólidos en suspensión (arcillas glaciares) es el factor más influyente sobre los ensambles de procariotas y eucariotas de ambientes afectados por glaciares del Monte Tronador. El efecto de las arcillas glaciares no sólo se relaciona con la atenuación de la luz; sino también con el aporte de P y Fe que actuarían tanto como nutrientes como cofactores en ciertas vías metabólicas de ciclos biogeoquímicos importantes como el del Nitrógeno.

Glacial environments are highly vulnerable to climate change. Increases in temperature and changes in precipitation regime are the main causes of glacier retreat. Changes in glacial dynamics affect surrounding aquatic and terrestrial environments remodeling the periglacial landscape with the formation of new lakes and streams. On the other hand, the input of meltwater loaded with glacial clays will be also modified, causing physical, chemical, and biological changes that will affect downstream aquatic environments. In this Thesis, were analyzed the microbial communities of environments generated and affected by the retreat of glaciers from Mount Tronador (Patagonia, Argentina), including lotic (streams) and lentic (proglacial lake and periglacial ponds). To study the microbial community, we used massive sequencing techniques and bioinformatics analyses. To analyze the effect of environmental variables on the prokaryote assemblage composition, we determined physical and chemical parameters. Then, different statistical analyses were applied to determine the effect of each one, as well as the combined effect of them, on the community composition. The Thesis was structured in six chapters. The Manso Superior River basin is one of the most important drainage of Mount Tronador. In the first chapter, I analyzed the bacterial community composition and seasonal variation of the biofilm of this basin, from Tronador Mountain to Lake Mascardi. Bacterial community composition of biofilm varies both in the longitudinal axis, as well as seasonally. The glacial influence is closely related to the longitudinal variation along the basin. As the distance from the glacier increases, a decrease in the concentration of glacial clays (measured as total suspended solids: TSS) that attenuate light and provide phosphorus, was observed. The increase in glacial influence favored phylotypes of Proteobacteria (Polaromonas, Rhodoferax, and Methylotenera), that were identified as exclusive to the headwater section closest to the glacier. In Chapter II, I analyzed the bacterial community composition from lake Ventisquero Negro. This proglacial lake is still in contact with the Ventisquero Negro glacier. In this lake, the most abundant phylotypes were CL 500-29 marine group, Tabrizicola, Parablastomonas, Rhodovastum, SAR11 clade III, and Caulobacter, and the family Acetobacteraceae, all were affected by the light extinction coefficient of photosynthetically active radiation (Kd PAR), total dissolved phosphorus (TDP), and temperature. Differences in prokaryotic composition were observed among the different sampling occasions, but not between the different depth levels. The obtained results indicate that meltwater inputs and their effect on water transparency, nutrients, and temperature, affect the community composition, showing distinctive effects on certain groups and/or genera. In chapter III, bacterial communities from periglacial ponds were characterized. The ponds are located at different altitudes: 1000 m a.s.l., in the surroundings of the Ventisquero Negro glacier, and 1903 m a.s.l., in the surroundings of the Otto Meilling Refuge located beyond glaciers Castaño Overa and Alerce. The ponds located at different altitudes presented different environmental parameters and bacterial communities. Ponds at 1000 m a.s.l. exhibited higher TSS values, conductivity, dissolved nutrients and chlorophyll a concentration than those located at 1903 m a.s.l. Under more extreme conditions (low TSS concentration, higher transparency) and low nutrient concentration, a dominance of tolerant genera (Sphingomonas, Sandarakinorhabdus, Sphingorhabdus, among others) was recorded. Thus, the variable with a higher contribution to pond segregation and bacterial community composition was the concentration of total suspended solids. In chapter IV, I determined the core microbiome of the lentic environments analyzed in Chapter II and III (lake Ventisquero Negro, ponds at 1000 m a.s.l and at 1900 m a.s.l.). The core species included 35 ASVs and is dominated by Proteobacteria, a Phylum that frequently dominates in glacial environments, and Cyanobacteria. Within Proteobacteria, Sphingomonas was the most important genus. This core microbiome was also influenced by the TSS concentration related to glacial influence. In Chapter V, based on the sequences analyzed in the previous chapters (chapters II and III), I determined the predicted abundances of functional genes associated with the nitrogen cycle pathways. The highest number of metabolic pathways and functional gene abundance was observed in lake Ventisquero Negro. Genes associated with assimilatory nitrate reduction and dissimilatory nitrate-to-ammonia reduction were the most abundant ones. In addition, certain pathways presented positive correlations with the TSS concentration, therefore we can assume that clay is an important source of nutrients and other cofactors for certain pathways involved in the nitrogen cycle. Finally, in chapter VI, I analyzed the eukaryotic assemblage of lentic water bodies of Mount Tronador with different transparency (lake Ventisquero Negro and the periglacial ponds at 1903 m a.s.l.). The eukaryotic composition differed among sites and the most influential environmental variable was the TSS concentration. The eukaryotic assemblage in lake Ventisquero Negro was dominated by Chlorophyta, with Chamydomonas as the most abundant phylotype. In the ponds, dinoflagellates such as Yihiella yeosuensis, Parvodinium, and Baldinia, whose presence is associated with the ice and snow melting, dominated the eukaryotic assemblage. The final conclusion of this Thesis indicates that changes in the suspended solids concentration (glacial clays) are the most important factor in the prokaryote and eukaryote assemblages in the environments affected by glaciers of Mount Tronador. The effect of glacial clay is not only related to light attenuation but also as P and Fe sources that act both as nutrients and cofactors in certain metabolic pathways of important biogeochemical cycles such as Nitrogen.