Ecology of supraglacial microbial communities

Abstract

Microbial communities developing on glacier and ice sheet surfaces decrease snow and ice albedo and enhance melting. The associated loss of global ice masses changes the proglacial landscapes worldwide and contribute to global sea-level rise. This is very pronounced in the Arctic, where the temperature increases four time faster than the global average. The loss of snow and ice also corresponds to an increased presence of pigmented microbial communities that bloom annually. The drivers of these blooms and the ecological relationships between the microbes inhabiting these environments, the pigmented microalgae and other microorganisms, remain misunderstood. Furthermore, snow and ice have been under-investigated as habitats supporting life, particularly regarding the ecological niches they offer through the seasonal shifts experienced in glacier ecosystems. These shifts include daily to seasonal freeze-thaw cycles, extreme light or darkness, nutrient limitations, dry conditions in winter or the abundance of liquid water in the summer. The overall diversity of such pigmented microbes and the habitat specific processes has been studied over the past decades. However, prior to my Ph.D., only sparse information was available about the ecological dynamics in supraglacial microbial communities, and their potential effects on the evolution of glacier and ice sheet surfaces under climate change are still unknown. Gaining such knowledge is crucial for the development of global models to help predict the evolution of glaciers and ice sheet biomes, and better understand their environmental implications. Additionally, quantifying changes in snow and ice habitat structure and assessing the interactions between microbial species are vital for understanding the survival strategies of microorganisms in these extreme conditions. Such knowledge can ultimately be used for astrobiological purposes, as glaciers are considered terrestrial analog systems for extraterrestrial life on cold planets and moons. To address some of the above set out questions, I combined genomic and visualization techniques and investigated the ecology of supraglacial microbial communities in the presented thesis. My work spans from the global scale, in which I assessed the biogeographical drivers shaping supraglacial microbial communities’ composition worldwide, to the single cell or mineral particle microscopic scale, where I assessed the 2D and 3D architecture of microbes and minerals on and in the ice. Specifically, in the first part, I utilized 16S, 18S and ITS rRNA gene amplicon sequencing of my own samples collected in Greenland, Iceland and Svalbard, and integrated these with data available in public repositories or shared by collaborators to create a dataset covering the Arctic, Antarctica, as well as continental glaciers worldwide. I unveiled a first global biogeographical pattern, and explored large-scale and local drivers that affect the composition and dynamics of supraglacial microbial communities. Diving deeper into the local and environmental influences, I then further investigated the specific ecological shifts in community composition, dynamics, and complexity across the snowline on the Greenland Ice Sheet by combining the genomic data from 19 supraglacial sub-habitats with their associated nutrient, ionic and carbon contents. My research revealed the existence of a global glacier core microbiome composed of both generalist and cold-specialized taxa such as Hymenobacter, Acidiphilium, Polaromonas, and Parafrigoribacterium. I showed that large-scale factors such as latitude and distance-decay partly explained microbial variability on glaciers worldwide. However, it also became clear that these were less important in defining the composition and diversity of glacier microbial communities, compared to local parameters, including sampling site, habitat, and sub-habitat. Clear ecological transitions were observed across the ever-moving snowline during the melt season on the Greenland Ice Sheet. These were characterized by an increase in bacterial diversity, dissolved organic carbon content, and a shift in community dynamics. Above and at the snowline, co-occurrence networks in white snow, red snow, and white ice showed that communities were predominantly driven by stochastic processes. In contrast, the sub-habitats below the snowline such as dark ice and black cryoconite holes exhibited more complex interactions and negative relationships, their dynamics responding to deterministic processes. A second trust of my work was focused on microscopic and tomographic analyses. I investigated the spatial and structural variations in ice core samples and assessed the influences of the ice architecture on the ecology of microbial communities. For this purpose, I studied the surface features of summer ice samples using a workflow that I developed spanning different scales of cryogenic microscopic approaches. Ice surfaces and their particulates were imaged in the field itself using a hand-held microscope. Ice patches displaying glacier ice algae were subsequently sampled, those samples preserved and transported frozen to the home-laboratory, where they were imaged with a stereoscopic microscope in a climate chamber, and a high-resolution cryo-scanning electron microscope (cryo-SEM). In addition, I employed conventional and synchrotron based cryo-computed tomography to evaluate the 3D distribution of mineral-biological aggregates and the pore structure in ice cores, collected either from below a 1.4 m snow cover or from the top bare surface ice, or weathering crust, in summer. The detailed analysis of these ice cores revealed substantial seasonal variations in ecological niches, with only a minor fraction of biological-mineral aggregates, considered as hotspots of biodiversity, having access to atmospheric inputs through the percolating channels in the winter ice. This underscores the necessity for supraglacial microorganisms to adapt to the harsh and arid conditions of the Arctic winter. This study presents a preliminary explanation for the dominance of taxa like Hymenobacter and Acidiphilium, capable of degrading organic matter under anoxic conditions, in glacier environments all over the world. Moreover, the cryo-SEM imaging highlighted the adaptive strategies of glacier ice algae communities. I could document the tendency of Ancylonema sp glacier ice algae to form chains loosely attached to ice crystal edges, an observation that suggests an evolutionary advantage for wind dispersion or enhanced photosynthetic drive. Importantly, my research highlights the existing biases in our understanding of glacier ecosystems, particularly emphasizing the disproportionate focus on the "Three Poles", while noting that continental glaciers, especially those in South America, remain significantly understudied. This discrepancy extends to the sampling of glacier habitats, where cryoconite holes have been investigated much more compared to the other sub-habitats. My thesis addresses this gap by contributing 221 new samples representing various sub-habitats from the glaciers of Svalbard and the Greenland ice sheet, thereby enriching the global sampling database. Moreover, my data underscore the critical role of sample collection and processing methods as variables that will affect amplicon sequencing outcomes, further stressing the imperative need for more standardized protocols that would facilitate better comparisons between studies and across glacier microbiomes. Overall, my work provides a new understanding about the ecology of supraglacial microbial communities, elucidating their drivers, their adaptation to the extreme conditions they thrive in, and the potential ecological shifts worldwide as glaciers melt and the bare ice area on ice sheet margins will more and more extend inland due to climate change.

Mikrobielle Gemeinschaften entwickeln sich auf Gletscheroberflächen und beeinflussen das weltweite Gleichgewicht, indem sie das Schmelzen von Schnee und Eis verstärken, somit das Verschwinden von Gletschern beschleunigen, Arktische Landschaften verändern und zum globalen Meeresspiegelanstieg beitragen. Erst seit kurzem untersucht, blieben die Treiber der Zusammensetzung dieser mikrobiellen Gemeinschaften und die ökologischen Beziehungen zwischen ihren Hauptakteuren, den pigmentierten Mikroalgen und anderen Mikroorganismen bislang unverstanden. Darüber hinaus sind Schnee und Eis als belebte Habitate wenig erforscht, insbesondere hinsichtlich der ökologischen Nischen, die sich durch die saisonal unterschiedlichen Bedingungen in arktischen Gletscherökosystemen ergeben. Diese reichen von den harschen, extrem kalten, dunklen und trockenen Bedingungen des Winters bis zu reichlichem Sonnenlicht und der Verfügbarkeit von flüssigem Wasser im Sommer. Vor meiner Doktorarbeit war sehr wenig bekannt über die ökologischen Dynamiken dieser mikrobiellen Gemeinschaften und das Potenzial der Evolution von Gletscheroberflächen und Eisschildrändern im Rahmen des Klimawandels. Diese Wissenslücke ist entscheidend für die Entwicklung von Vorhersagemodellen, um die Veränderung von Gletscherökosystemen und ihre weiteren Umweltauswirkungen vorherzusehen. Darüber hinaus ist das Verständnis von Schnee- und Eishabitaten entscheidend für das Verständnis der Überlebensstrategien von Mikroorganismen unter extremen Bedingungen, und positioniert Gletscher als bedeutende Analoga für außerirdisches Leben auf kalten Planeten und Monden. Um diese Wissenslücken zu schließen, kombinierte ich genomische und Visualisierungstechniken, zur Untersuchung der Ökologie von supraglazialen mikrobiellen Gemeinschaften von weltweiten bis zu mikroskopischen Maßstäben. Unter Verwendung von 16S- und 18S-rRNA-Gen-Amplicon-Sequenzierungsdaten aus Proben, die in Grönland und Svalbard gesammelt wurden, und deren Integration mit vergleichbaren Daten aus öffentlichen Repositorien, untersuchte ich die großmaßstäblichen und lokalen Treiber der Zusammensetzung und Dynamik von supraglazialen mikrobiellen Gemeinschaften. Zur genaueren Betrachtung lokaler und umweltbedingter Einflüsse, analysierte ich die ökologischen Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaftszusammensetzung, Dynamik und Komplexität entlang der Schneegrenze am Rand des grönländischen Eisschilds unter Verwendung von 16S, 18S, ITS2-Eis und ITS2-Schnee-rRNA-Gen-Amplicon-Sequenzierungsdaten durch die Untersuchung von 19 supraglazialen Subhabitaten und assoziierten Ionenchromatographie (IC), induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) und gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) Daten. Schließlich ergänzte ich meine Analyse durch die Untersuchung der räumlichen und strukturellen Einflüsse auf die Ökologie mikrobieller Gemeinschaften in verschiedenen Maßstäben, unter Verwendung von Mikro- und Synchrotron-CT und mikroskopischen Werkzeugen, von Handmikroskopen bis zur Kryo-Rasterelektronenmikroskopie (cryo-SEM). Meine Forschung zeigt die Existenz eines globalen Gletscherkernmikrobioms, bestehend aus sowohl generalistischen als auch kältespezialisierten Taxa wie Hymenobacter, Acidiphilium, Polaromonas und Parafrigoribacterium. Darüber hinaus decken meine Ergebnisse den bestehenden Einfluss großmaßstäblicher Faktoren wie Breitengrad und Entfernung als erklärende Variablen auf, die jedoch nicht so einflussreich waren wie lokale Parameter, einschließlich Probennahmestelle, Habitat und Subhabitat für die Definition der Zusammensetzung und Diversität von gletschermikrobiellen Gemeinschaften. An der Schneegrenze der grönländischen Eisschildränder wird ein ökologischer Übergang beobachtet, gekennzeichnet durch eine Zunahme der bakteriellen Diversität, des DOC-Gehalts und eines Wandels der Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft. Oberhalb und an der Schneegrenze zeigen Koexistenznetzwerke, dass Gemeinschaften überwiegend durch stochastische Prozesse bestimmt werden. Im Gegensatz dazu zeigen Subhabitate, wie dunkles Eis und schwarze Kryokonitlöcher, stromabwärts der Schneegrenze komplexere Interaktionen und negative Beziehungen, da ihre Dynamik von Umweltfaktoren bestimmt wird. Eine detaillierte Analyse des ersten Meters des Gletschereises zeigt erhebliche saisonale Variationen in den ökologischen Nischen, wobei nur ein geringer Teil der biologisch-mineralischen Aggregate, die Hotspots der Biodiversität im Wintereis darstellen und Zugang zu atmosphärischen Einträgen durch die perkolierenden Kanäle haben, signifikante saisonale Schwankungen aufweisen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit für supraglaziale Taxa, sich an die harten, sauerstoffarmen und trockenen Bedingungen des arktischen Winters anzupassen. Diese Studie präsentiert eine vorläufige Erklärung für die Dominanz von Taxa wie Hymenobacter und Acidiphilium, die weltweit in der Lage sind, organische Materie unter anoxischen Bedingungen in Gletscherumgebungen abzubauen. Darüber hinaus hat die Anwendung von Kryo-SEM-Techniken zur Beobachtung von gletschermikrobiellen Gemeinschaften in situ die Anpassungsstrategien dieser Gemeinschaften, insbesondere der Gletschereisalgen, hervorgehoben. Ihre Neigung, Ketten zu bilden, die locker an den Rändern von Eiskristallen anhaften, deutet auf einen evolutionären Vorteil für die Winddispersion hin, was ihre weit verbreitete Präsenz auf dem Grönländischen Eisschild erklären könnte. Diese Erkenntnis betont ihre Rolle in der Beschleunigung der Verdunkelung Grönlands, da das Ausmaß der freiliegenden Eisfläche mit der globalen Erwärmung zunimmt und somit neue Gebiete für mikrobielle Besiedelung zur Verfügung stehen. Meine Forschungsergebnisse heben den bestehenden Bias in unserem Verständnis von Gletscherökosystemen hervor, insbesondere die unverhältnismäßige Fokussierung auf die "Drei Pole", während kontinentale Gletscher, insbesondere jene in Südamerika, signifikant untererforscht bleiben. Diese Diskrepanz erstreckt sich auf die Beprobung von Gletscherhabitaten, bei denen Kryokonitlöcher ungleichmäßig häufig untersucht wurden. Meine Doktorarbeit adressiert diese Lücke, indem sie 94 neue Schnee- und Eisproben von den Gletschern Svalbards und des Grönländischen Eisschilds beiträgt und damit die globale Proben-Datenbank bereichert. Darüber hinaus unterstreichen die hier präsentierten Daten die kritische Rolle von Methoden zur Probennahme und -verarbeitung als erklärende Variablen in Amplicon-Sequenzierungsergebnissen, was die Notwendigkeit für standardisierte Methoden zur Ermöglichung vergleichender Forschung in Gletscherumgebungen hervorhebt. Insgesamt ermöglicht die in dieser Arbeit vorgestellte Forschung ein neues Verständnis der Ökologie mikrobieller Gemeinschaften, indem sie ihre Einflussfaktoren, Anpassung an die extremen Bedingungen, in denen sie gedeihen, und die potenziellen ökologischen Verschiebungen in Gletscherökosystemen weltweit beleuchtet, während die freiliegende Eisfläche an ihren Rändern aufgrund des Klimawandels zunimmt.