Patterns of connectivity in marine microbial communities

Abstract

Marine microorganisms are fundamental for life on Earth. For example, they have produced most of the oxygen existing in our planet and are essential in biogeochemical cycles and energy flow to different trophic levels. One of the critical aspects of microbial ecology is the distribution of microorganisms at spatial and temporal scales since it allows us to understand the effect of environmental factors on the structure of microbial communities. In this thesis, the aim was to determine the structure of microbial communities at three spatial scales: In the first chapter, a study was conducted on the spatiotemporal dynamics of bacterioplankton communities in a tropical estuary strongly impacted by the discharge of the Tempisque River during the rainy season. The results show high spatial heterogeneity in the communities, and represent the first report on the spatial and temporal patterns in which the bacterioplankton of the Gulf of Nicoya is structured. The second chapter determined the effect of environmental gradients on the horizontal distribution of bacterioplankton in the northwestern Mediterranean. The samples were taken along cross-shore transects so that the gradients would presumably be due to the change in environmental parameters along the transect and a dilution of the anthropogenic and terrestrial effect. Community structure was observed to vary depending on the sites, but a large fraction of the microorganisms were shared in all sampled areas, reflecting a relatively high connectivity of the communities. The third chapter presents the vertical distribution of prokaryotic and eukaryotic microorganisms within the Deep Chlorophyll Maxima (DCM) in the NW Mediterranean sea, as determined by high resolution sampling and separating two microbial size fractions (0.2-3 and 2-20 µm). The results show that the DCM acts as a transition zone (ecotone), but despite the drastic changes observed in the relative abundance of taxa in this layer both prokaryotic and eukaryotic communities below the DCM were dominated (~70% of the sequences) by taxa already detected at the ocean surface.

Los microorganismos marinos son fundamentales para la vida en la Tierra. Por ejemplo, han producido la mayor parte del oxígeno de nuestro planeta y son esenciales en los ciclos biogeoquímicos y en el flujo de energía a los diferentes niveles tróficos. Uno de los aspectos críticos en la ecología microbiana es la distribución de los microorganismos a distintas escalas espaciales y temporales, ya que permite comprender el efecto de los factores ambientales sobre la estructura de las comunidades microbianas. El objetivo de esta tesis fue determinar la estructura de las comunidades microbianas en tres escalas espaciales: En el primer capítulo, se realizó un estudio sobre la dinámica espaciotemporal de las comunidades de bacterioplancton en un estuario tropical fuertemente impactado por la descarga del río Tempisque durante la temporada de lluvias. Los resultados muestran una alta heterogeneidad espacial en las comunidades, y representan el primer estudio sobre los patrones espaciales y temporales en los que se estructura el bacterioplancton del Golfo de Nicoya. En el segundo capítulo determinamos el efecto de varios gradientes ambientales sobre la distribución horizontal del bacterioplancton en el Mediterráneo noroccidental. Las muestras se tomaron desde la costa hasta mar abierto por lo que los gradientes son resultado del cambio de condiciones ambientales a lo largo del transecto y a una dilución del efecto antropogénico y terrestre. Se observó que la estructura de la comunidad variaba según los áreas de muestreo, pero se encontró que la gran mayoría de los microorganismos aparecían en todas las áreas muestreadas, lo que refleja una conectividad relativamente alta de las comunidades. El tercer capítulo presenta la distribución vertical de los microorganismos procariotas y eucariotas a través del máximo profundo de clorofila (DCM) en el NW del mar Mediterráneo, mediante un muestreo de alta resolución y separando dos fracciones de tamaño (0.2-3 y 2-20 µm). Los resultados muestran que el DCM actúa como una zona de transición (ecotono), pero que a pesar de los cambios drásticos en la abundancia relativa de los microorganismos en esta capa, el 70% de las comunidades de procariotas y eucariotas debajo del DCM están constituidas por taxones ya detectados en la superficie.

Els microorganismes marins són fonamentals per a la vida a la Terra. Per exemple, han produït la major part de l'oxigen del nostre planeta i són essencials en els cicles biogeoquímics i en el flux d'energia cap als diferents nivells tròfics. Un dels aspectes crítics en l'ecologia microbiana és la distribució dels microorganismes en escales espacials i temporals, ja que permet comprendre l'efecte dels factors ambientals sobre l'estructura de les comunitats microbianes. L'objectiu d'aquesta tesi ha estat determinar l'estructura de les comunitats microbianes en tres escales espacials. Al primer capítol, es va realitzar un estudi sobre la dinàmica espaciotemporal de les comunitats de bacterioplancton en un estuari tropical fortament impactat per la descàrrega del riu Tempisque durant la temporada de pluges. Els resultats mostren una alta heterogeneïtat espacial a les comunitats, i representen el primer estudi sobre els patrons espacials i temporals en què s'estructura el bacterioplàncton del Golf de Nicoya. Al segon capítol determinem l'efecte de diversos gradients ambientals sobre la distribució horitzontal del bacterioplàncton a la Mediterrània nord-occidental. Les mostres es van prendre des de la costa fins a mar obert, per la qual cosa els gradients es deuen al canvi de paràmetres ambientals al llarg del transecte i a una dilució de l'efecte antròpic i terrestre. Es va observar que l'estructura de la comunitat variava segons els llocs, però es van trobar els mateixos microorganismes a totes les àrees mostrejades, cosa que reflecteix una connectivitat relativament alta de les comunitats. El tercer capítol presenta la distribució vertical dels microorganismes procariòtics i eucariòtics a través del màxim profund de clorofil·la (DCM) al mar Mediterrani Nordoccidental, mitjançant un mostreig d'alta resolució i separant dues fraccions de mida (0.2-3 i 2-20 µm). Els resultats mostren que el DCM actua com una zona de transició (ecoton), però que a pesar dels canvis dràstics en l'abundància relativa dels microorganismes en aquesta capa, el 70% de les comunitats de procariotes i eucariotes sota el DCM estan constituïdes per taxons detectats a la superfície.