Microbial communities across the oligotrophic western Mediterranean Sea: spatial and temporal dynamics

Abstract

[eng] Marine microbes play a fundamental role in ecosystem functioning and ocean biogeochemical cycles. Microbial metabolism and community composition determine the energy fluxes and carbon cycle dynamics in marine ecosystems. However, knowledge on temporal community patterns and activity of specific phylotypes remains limited, especially in the dark ocean. This thesis aims to advance the current knowledge of the structure, temporality and activity of microbial communities throughout the water column in the oligotrophic open ocean. The results of this thesis are based on field sampling of phytoplankton and heterotrophic prokaryotic communities at distinct spatial and temporal scales across the western Mediterranean Sea basin. Our results support the pronounced depth stratification of microbial communities, with major differences between photic and aphotic zones. In the sunlit ocean, the phytoplankton community is dominated by the picophytoplankton fraction, autotrophic prokaryotes prevail numerically and picoeukaryotes are the major biomass contributors (Chapter 4). The composition of autotrophic and heterotrophic microbial communities within the photic layer is largely governed by summer vertical stratification and winter mixing patterns (Chapter 4 and 5). In addition, microbial communities exhibit spatial and temporal partitioning of oligotypes, indicating specialization of the ecological niche of ecotypes (Chapter 5). In the dark ocean, prokaryotic communities are dynamic and resilient, and rare taxa play a significant role in the community response to environmental disturbances (Chapter 6). Rare but highly active taxa exhibit temporal dynamics of ecotypes from surface to dark ocean waters (Chapter 7). The results emphasize the importance of ecotype differentiation and the role of rare and active taxa in community metabolism and biogeochemical ocean processes, significantly influencing community response to changing environmental conditions. Overall, this thesis furthers our understanding of microbial community dynamics in the open ocean, providing new insights into ecosystem ecology and ocean function.

[cat] Els microorganismes marins juguen un paper fonamental en el funcionament de l’ecosistema i en els cicles biogeoquímics de l’oceà. La composició i metabolisme de la comunitat microbiana determina els fluxos d’energia i les dinàmiques del cicle del carboni en ecosistemes marins. No obstant, el coneixement sobre els patrons temporals de la comunitat i l’activitat de filotips específics és encara molt limitat, especialment de l’oceà profund. Aquesta tesi té com a objectiu avançar en el coneixement actual sobre l’estructura, temporalitat i activitat de les comunitats microbianes a la columna d’aigua de zones oligotròfiques de mar obert. Els resultats d’aquesta tesi es basen en el mostreig de comunitats fitoplanctòniques i de procariotes heteròtrofs a diferents escales espacials i temporals a la conca occidental del Mar Mediterrani. Els resultats recolzen la forta estratificació vertical de les comunitats microbianes, diferenciant-se principalment la zona fòtica i afòtica de la columna d’aigua. A la zona fòtica la comunitat de fitoplàncton està dominada per la fracció picoplanctònica, els procariotes autòtrofs prevalen numèricament i els picoeucariotes predominen en termes de biomassa (Capítol 4). La composició de les comunitats microbianes autòtrofes i heteròtrofes de la capa fòtica està fortament influenciada pels patrons d’estratificació a l’època estival i de mescla durant l’hivern (Capítol 4 i 5). A més, les comunitats microbianes mostren divisió espacial i temporal d’oligotips, indicant una especialització del nínxol ecològic dels ecotips (Capítol 5). A l’oceà profund, les comunitats procariotes son dinàmiques i resilients, i taxons rars o poc abundants juguen un paper rellevant en la resposta de la comunitat a pertorbacions ambientals (Capítol 6). Els ecotips de taxons rars però extremadament actius mostren dinàmiques temporals des de la superfície fins al fons de l’oceà (Capítol 7). Els resultats emfatitzen la importància de la diferenciació d’ecotips i el paper dels taxons rars i actius en el metabolisme de la comunitat i en els processos biogeoquímics de l’oceà, ja que influencien significativament la resposta de la comunitat en condicions ambientals canviants. En general, aquesta tesi avança el coneixement sobre les dinàmiques de les comunitats microbianes de mar obert, aportant noves perspectives sobre l’ecologia de l’ecosistema i el funcionament de l’oceà.

[spa] Los microorganismos marinos juegan un papel fundamental en el funcionamiento del ecosistema y en los ciclos biogeoquímicos del océano. La composición y metabolismo de la comunidad microbiana determina los flujos de energía y las dinámicas del ciclo del carbono en ecosistemas marinos. Sin embargo, el conocimiento sobre los patrones temporales de la comunidad y la actividad de filotipos específicos es aún escaso, especialmente del océano profundo. Esta tesis tiene como objetivo avanzar en el conocimiento actual sobre la estructura, temporalidad y actividad de las comunidades microbianas en la columna de agua de zonas oligotróficas de mar abierto. Los resultados de esta tesis se basan en el muestreo de comunidades fitoplanctónicas y de procariotas heterótrofos a distintas escalas espaciales y temporales en la cuenca occidental del Mar Mediterráneo. Los resultados respaldan la fuerte estratificación vertical de las comunidades microbianas, diferenciándose principalmente la zona fótica y afótica de la columna de agua. En la zona fótica, la comunidad de fitoplancton está dominada por la fracción picoplanctónica, los procariotas autótrofos prevalecen numéricamente y los picoeucariotas predominan en biomasa (Capítulo 4). La composición de las comunidades microbianas autótrofas y heterótrofas de la capa fótica está fuertemente influenciada por los patrones de estratificación en la época estival y de mezcla en invierno (Capítulos 4 y 5). Además, las comunidades microbianas muestran división espacial y temporal de oligotipos, indicando una especialización del nicho ecológico de los ecotipos (Capítulo 5). En el océano profundo, las comunidades procariotas son dinámicas y resilientes, y taxones raros o poco abundantes juegan un papel relevante en la respuesta de la comunidad a perturbaciones ambientales (Capítulo 6). Los ecotipos de taxones raros pero extremadamente activos muestran dinámicas temporales desde la superficie hasta el fondo del océano (Capítulo 7). Los resultados enfatizan la importancia de la diferenciación de ecotipos y el papel de los taxones raros y activos en el metabolismo de la comunidad y en los procesos biogeoquímicos del océano, ya que influencian significativamente la respuesta de la comunidad en condiciones ambientales cambiantes. En general, esta tesis avanza el conocimiento sobre las dinámicas de las comunidades microbianas de mar abierto, aportando nuevas perspectivas sobre la ecología del ecosistema y el funcionamiento del océano.