- for Dutch, scroll down -

Coordinated measurements throughout one year

This study was a first, integrating data on bacteria and microbial eukaryotes (small organisms summarized as ‘microorganisms’, including phytoplankton). Samples were taken at two Antarctic research stations at the same time and along all seasons. In a concerted effort, researchers from NIOZ, collaborating universities in the US and the British Antarctic Survey, collected water samples from July 2013 to April 2014 at the Long-Term Ecological Monitoring site of the British Antarctic research station at Rothera, as well as close to the research station Palmer, located 400 km to the north. Samples were not only taken at the same time, but also using the same methods and protocols for optimal comparability. With DNA sequence analysis, the researchers determined which bacteria, protists, phytoplankton and other single-celled organisms were present in the seawater. Also, they predicted microbial interactions and community structures – who eats who? –  with special statistical methods.

Microorganisms dominate marine life

The west Antarctic Peninsula experiences a higher warming rate than the global average and has seen unprecedented heatwaves and losses in sea ice in the past decades, with large regional variability. In the waters around Palmer, the amount of sea ice has decreased more significantly in recent years, as temperatures there have risen faster than off the coast of Rothera. These differing conditions affect microbial community composition, says Engelmann. "At the warmer Palmer site, bacteria affected microbial community structure by interacting with other microorganisms, while at Rothera, it was the other way around. There, microbial eukaryotes were stronger drivers of community structure and dynamics."

Bacteria and microbial eukaryotes play different roles in the marine ecosystem, and the potential shift towards bacterial dominance in warmer conditions could decrease biological productivity. With more bacteria and less phytoplankton, nutrients are more likely to remain in the microbial loop, making them less available for higher organisms like krill, fish, and ultimately mammals and birds. Engelmann: “These findings have significant implications for understanding and predicting microbial ecosystem responses to climate change and are therefore relevant for a broad group of researchers and even for humanity as a whole.”

Measured by their total mass, there are about three times more microorganisms in the oceans than all the marine animals combined. Climate change-induced shifts in the microbial food web of the Southern Ocean will have far-reaching consequences for the global food web, as the Southern Ocean plays a crucial role in producing and recycling organic material that feeds marine life worldwide."

Incorporating microorganisms into climate models

Ultimately, Engelmann hopes that microbial community data will find their way to climate and ocean models. “The microbial food web is complex, bacteria and microbial eukaryotes have different functions and there are a lot of interactions among and between these groups, but also with larger organisms including animals. At this point, it is difficult to predict the impact of climate change on microbial productivity. Our research provides crucial baseline data for understanding the complexity of microbial communities in coastal Antarctic ecosystems, but we need more data and a better understanding of marine microbial communities before we can include them in climate and ocean models. But I am convinced that this would make our models much more accurate and could also aid in developing conservation strategies.”

Long-term measurements

The measurements from 2013-2014 are the first thorough analysis of both bacteria and microbial eukaryotes across all seasons in coastal Antarctica. Engelmann hopes that many more measurements will follow. "Now, we've drawn conclusions based on climate differences at two locations. We have samples ready from 2018-2019 and also from 2022. The more of these measurements we collect over time, the more we'll learn about Antarctic marine microbial communities, their interactions and susceptibility to climate change. At the same time, sampling in Antarctica is logistically challenging, laborious and expensive. International cooperation, such as with the British Antarctic Survey and the colleagues in the US who worked at Palmer station and their home universities, is therefore crucial."

Klimaat beïnvloedt microbiële leven rond Antarctica

Bacteriën en andere eencellige micro-organismen in de zeeën rond Antarctica worden sterk beïnvloed door de watertemperatuur en de hoeveelheid zee-ijs. Dat blijkt uit internationaal onderzoek voor de kust van het Antarctisch Schiereiland. “Zelfs op twee locaties die maar 400 km van elkaar verwijderd zijn op het schiereiland – een piepklein stukje op de schaal van de oceanen – vonden we opvallende verschillen in de hoeveelheid en de samenstelling van alle micro-organismen. Deze verschillen lijken vooral gerelateerd te zijn aan de verschillen in het lokale klimaat”, zegt NIOZ-microbioloog Dr. Julia Engelmann. De resultaten van dit onderzoek door een internationaal team van wetenschappers onder leiding van NIOZ, zijn gepubliceerd in het tijdschrift Environmental Microbiome.

Een jaar lang meten

Het onderzoek was een internationale primeur. Niet eerder werden gegevens over bacteriën en ‘microbiële eukaryoten’, zoals fytoplankton, op deze schaal samen geanalyseerd. Bij twee Antarctische onderzoeksstations hebben onderzoekers van NIOZ en collega’s van universiteiten in de VS en de British Antarctic Survey, van juli 2013 tot april 2014 watermonsters verzameld, door. De monsters kwamen van het Long-Term Ecological Monitoring station van het Britse Antarctische onderzoeksstation in Rothera, en van het onderzoeksstation Palmer, dat 400 km naar het noorden ligt. De watermonsters werden niet alleen tegelijk genomen, maar ook volgens dezelfde protocollen, zodat ze optimaal vergelijkbaar waren. Met DNA-analyse bepaalden de onderzoekers welke bacteriën, protisten, fytoplankton en andere eencellige organismen aanwezig waren in het zeewater. Ook voorspelden ze met behulp van  speciale statistische methoden de microbiële interacties en gemeenschapsstructuren: wie eet wie en waar?

Micro-organismen domineren het mariene leven

Het westen van het Antarctische Schiereiland kent een snellere opwarming dan de rest van de wereld. Er zijn daar in de afgelopen decennia ongekende hittegolven geweest, met grote verliezen van zee-ijs. Zeker in de wateren rond Palmer is de hoeveelheid zee-ijs de laatste jaren aanzienlijk afgenomen, omdat de temperaturen daar sneller zijn gestegen dan voor de kust van Rothera. Deze verschillende omstandigheden hebben hun weerslag op de samenstelling van de microbiële gemeenschappen, zegt Engelmann. “Op de warmere locatie Palmer zijn het vooral bacteriën die de structuur van de microbiële gemeenschap bepalen, terwijl het bij het iets koelere Rothera andersom was. Daar waren microbiële eukaryoten de centrale spelers.”

Bacteriën en microbiële eukaryoten spelen verschillende rollen in het mariene ecosysteem, en de mogelijke verschuiving naar bacteriële dominantie in warmere omstandigheden kan de biologische productiviteit verminderen. Met meer bacteriën en minder fytoplankton, zullen nutriënten waarschijnlijk langer in het microbiële systeem blijven, waardoor ze minder beschikbaar zijn voor hogere organismen zoals krill, vissen en uiteindelijk zoogdieren en vogels. Engelmann: “Deze resultaten zijn daarom belangrijk voor het begrijpen en voorspellen van microbiële ecosysteemreacties op klimaatverandering. Ze zijn relevant voor een brede groep onderzoekers en zelfs voor de mensheid als geheel.”

Gemeten naar hun totale massa, zijn er ongeveer drie keer zoveel micro-organismen in de oceanen als alle zeedieren samen. Verschuivingen in het microbiële voedselweb van de Zuidelijke Oceaan door het veranderende klimaat, zullen dan ook verstrekkende gevolgen kunnen hebben voor het wereldwijde voedselweb, omdat de Zuidelijke Oceaan een cruciale rol speelt in de productie en recycling van organisch materiaal, dat het mariene leven wereldwijd voedt."

Micro-organismen opnemen in klimaatmodellen

Uiteindelijk hoopt Engelmann dat gegevens over microbiële gemeenschappen hun weg zullen vinden naar klimaat- en oceaanmodellen. “Het microbiële voedselweb is complex; bacteriën en microbiële eukaryoten hebben verschillende functies en er zijn veel interacties tussen deze groepen, maar ook met andere organismen, waaronder dieren. Op dit moment is het moeilijk om de impact van klimaatverandering op microbiële productiviteit te voorspellen. Ons onderzoek biedt de eerste basisgegevens voor het begrijpen van de complexiteit van microbiële gemeenschappen in kust-ecosystemen in Antarctica. Maar we hebben meer gegevens en een beter begrip van mariene microbiële gemeenschappen nodig, voordat we deze informatie kunnen opnemen in klimaat- en oceaanmodellen. Ik ben er wel van overtuigd dat dit onze modellen veel nauwkeuriger zou maken en ook zou kunnen helpen bij het bedenken van betere manieren om de natuur te beschermen.”

Langdurige metingen

De metingen van 2013-2014 zijn de eerste grondige analyse van alle micro-organismen gedurende alle seizoenen in het kustgebied van Antarctica. Engelmann hoopt dat er nog veel meer metingen zullen volgen. "Nu hebben we conclusies getrokken op basis van klimaatverschillen op twee locaties. We hebben monsters van 2018-2019 en ook van 2022 klaarliggen voor een vervolg op dit verhaal. Hoe meer van deze metingen we in de loop van de tijd verzamelen, hoe meer we zullen leren over de Antarctische mariene microbiële gemeenschappen, hun interacties en hun vatbaarheid voor klimaatverandering. Tegelijkertijd is het nemen van monsters bij Antarctica logistiek uitdagend, arbeidsintensief en duur. Internationale samenwerking, zoals met de British Antarctic Survey en de collega’s in de VS die werkten op het Palmerstation en hun thuisuniversiteiten, is daarom cruciaal."