Heterotrophic prokaryotes metabolic activities associated with glacier/sea-ice melting in polar seas

Abstract

급격한 기후변화에 대한 해양 미생물 반응성은 기후 시스템에 대한 피드백으로 전 지구적 해양의 탄소순환을 변경할 가능성이 있다. 박테리아는 전 지구적 해양의 생지화학적 탄소 순환을 담당하는 중요한 생물학적 구성 요인이며 급격한 온난화를 경험하고 있는 양극해에서 박테리아 대사에 영향을 미치는 조절인자를 설명하는 것은 중요하다. 서 남극해에 위치한 아문센 해역의 겟츠빙붕에서 획득한 광범위한 해양학 데이터를 미생물학적 매개변수와 결합하여 빙하 융빙수와 종속 영양 박테리아 생산력 사이의 긴밀한 결합을 설명하였다. 기저부 융빙수가 용승하는 동부 겟츠 빙붕의 박테리아 생산은(85.8 pM Leu. hr-1) 해빙 융빙수의 영향을 받는 서부 겟츠빙붕(50.6 pM Leu. hr-1)과 아문센 해역 폴리냐 지역(ASP; 27.8 pM Leu. hr-1)에서 관측된 박테리아 생산 보다 높았다. 동부 겟츠빙붕의 박테리아 생산은 1차 생산력의 49%를 차지하여 서부 겟츠빙붕(10%)과 폴리냐(9.2%)보다 높게 관측되었다. 동부 겟츠에서 강화된 박테리아 생산력은 융빙수로부터 배출되는 용존 유기탄소와 밀접한 상관관계가 있었다. 이러한 결과는 온난화로 인한 빙하 용해가 박테리아 대사를 자극함으로써 남극 연안 해역에서 탄소 격리 효율을 약화시킴을 시사했다. 북극해의 독특한 해빙생태환경인 멜트폰드는 형태적 분류에 따라 박테리아 호흡 반응이 다른 것으로 나타났다. 개방형 폰드(10.8 ± 6.28 mmol O2 m-3 d-1)의 평균 박테리아 호흡은 폐쇄형 폰드(2.25 ± 1.96 mmol O2 m-3 d-1) 및 빙원지대(6.70 ± 4.54 mmol O2 m-3 d-1)보다 높았다. 그러나 평균 용존 유기탄소 농도는 개방형 폰드(57 ± 9 μM)보다 빙원지대(67 ± 2 μM)에서 더 높았지만 박테리아 호흡은 더 낮았으며, 이는 용존 유기탄소의 특성 차이가 박테리아 호흡을 제어함을 시사한다. 이러한 결과는 해빙에서 방출된 생물학적 이용 가능한 용존유기탄소가 개방형 폰드에서 높은 박테리아 호흡을 잠재적으로 지원하는 추가적인 용존 유기탄소를 공급함을 시사했다. 2014년 여름 동안 베링해협에서 축치 국경지대까지의 미생물 및 물리화학적 특징의 위도 분포를 조사되었다. 평균 박테리아 생산은 축치 국경지대(2.71 ± 2.88 pM TdR. hr-1)에서 베링해협(19.2 ± 2.76 pM TdR. hr-1) 및 축치붕(6.54 ± 2.86 pM TdR. hr-1) 보다 낮게 나타났다. 유사하게도 엽록소-a도 축치 국경지대에서 베링해협과 축지붕 보다 현저히 낮은 결과를 보였다. 박테리아 생산과 엽록소-a 사이의 긴밀한 결합은 공간 분포에 따라 달랐으며, 베링해협의 높은 박테리아 생산은 식물플랑크톤에서 방출되는 생체 반응성이 높은 용존 유기탄소가 박테리아 생산을 지원함을 시사했다. 대조적으로 축치붕과 축치 국경지대의 상대적으로 낮은 박테리아 생산은 식물플랑크톤에 의해 방출되는 용존 유기탄소가 아니라 하천 기원의 용존 유기탄소에 의해 조절되었음을 나타냈다. 해빙으로부터 배출되는 융빙수와 강물의 조합으로 인한 강한 성층화는 축치 국경지대의 낮은 박테리아 생산 및 식물플랑크톤 생체량과 관련이 있음을 나타내었다. 이러한 결과는 온난화로 인한 빙하와 해빙의 융해가 물리적 및 생지화학적 변화를 유도하고 종속 영양 박테리아 대사 활동을 자극하여 양극해에서 탄소 격리 효율을 약화시킬 수 있음을 시사했다. |The responsiveness of marine microbes to rapid climate change has the potential to induce variation in the global ocean circulation of carbon as a feedback to the climate system. Heterotrophic prokaryotes are important biological components of the biogeochemical carbon cycle of the global ocean; therefore, it is essential to identify the controlling factors that influence bacterial metabolism in polar seas, which are experiencing rapid global warming. Extensive oceanographic data from the Getz Ice Shelf (GIS) in the Amundsen Sea located in the West Antarctic Ocean were combined with microbiological parameters to elucidate the tight coupling between glacial meltwater and heterotrophic bacterial production (BP). The BP in the eastern GIS (EG; 85.8 pM Leu. hr−1), where basal glacier meltwater upwells, was significantly higher than the BP measured in the western GIS (WG; 50.6 pM Leu. hr−1), which is influenced by sea ice meltwater, and at the Amundsen Sea polynya (ASP; 27.8 pM Leu. hr−1). The BP at the EG accounted for 49 % of the primary production, which was substantially higher than the values of the WG (10 %) and ASP (9.2 %). Although the enhanced BP at the EG was uncoupled with phytoplankton, it was significantly correlated with the meltwater fraction containing meltwater-derived dissolved organic carbon (MW-DOC). These results suggest that warming-induced glacier melting weakens the carbon sequestration efficiency in Antarctic coastal waters by stimulating a heterotrophic metabolism that respires MW-DOC to CO2. In the unique sea ice environment of the Arctic Ocean, the bacterial respiration response in the melt ponds differed according to the morphological classification of the ponds. The average bacterial respiration in open ponds (10.8 ± 6.28 mmol O2 m−3 d−1) was higher than the respiration in closed ponds (2.25 ± 1.96 mmol O2 m−3 d−1) and the marginal ice zone (6.70 ± 4.54 mmol O2 m−3 d−1). However, the average dissolved organic carbon (DOC) concentration values were higher in the marginal ice zone (67 ± 2 µM), which had lower bacterial respiration, than in open ponds (57 ± 9 µM), suggesting that differences in the quality of DOC controlled bacterial respiration. These results suggest that bioavailable DOC released from sea ice provided an additional source of DOC that could potentially support high bacterial respiration in open ponds. The latitudinal distribution of microbiological and physico-chemical features in the Bering Strait to Chukchi Borderland during the summer of 2014 was investigated. The average BP was significantly lower in the Chukchi Borderland (2.71 ± 2.88 pM TdR. hr−1) than in the Bering Strait (19.2 ± 2.76 pM TdR. hr−1) and Chukchi Shelf (6.54 ± 2.86 pM TdR. hr−1). Similarly, the chlorophyll-a (Chl-a) was lower in the Chukchi Borderland (0.95 ± 0.93 µg L−1) than in the Bering Strait (3.99 ± 3.15 µg L−1) and Chukchi Shelf (2.58 ± 4.93 µg L−1). The tight coupling between BP and Chl-a differed depending on the spatial distribution. The high BP in the Bering Strait suggests that fresh, bio-reactive DOC released from phytoplankton supports BP. In contrast, the low BP in the Chukchi Shelf and Chukchi Borderland indicates that these regions are controlled by DOC of river origin rather than DOC released by phytoplankton. Strong stratification due to the combination of increased sea ice meltwater and river water is associated with lower BP and Chl-a in the Chukchi Borderland. These results suggest that warming-induced melting of glaciers and sea ice can induce physical and biogeochemical changes and stimulates heterotrophic metabolic activity, thereby weakening carbon sequestration efficiency in the polar seas.