Application of chemotaxonomy to the study of the phytoplankton community structure in the Mediterranean Sea and in the Atlantic and Southern Oceans

Abstract

[EN] Despite their small size, phytoplankton represents up to 50% ofthe global primary production of the Earthand serves as a connector between oceanic and atmospheric processes. Therefore, phytoplankton constitutes a central pillar in the comprehension of the cycles of mass and energy in the oceans. Their different attributes like size, abundance, community composition, functions, pigment complex and taxonomy provide relevant information to understand the processes of global change. In the past decades, the use of HPLC chromatography (High-Performance Liquid Chromatography) has proven as a very effective methodology to study marine phytoplankton. This technique, combined with the use of the statistic program CHEMTAX, allows to identify efficiently the contribution of certain taxonomic classes. This thesis is centered around the use of HPLC-CHEMTAX to identify the phytoplanktonic communities of three regions: the Mediterranean Sea, the Atlantic Ocean and the Antarctic Ocean, each characterized by different trophic conditions (from oligotrophic to eutrophic). With the results obtained, we expect to contribute to the comprehension of the local biochemical responses in a context of global change, as well as to improve future models of ecosystems and algorithms for remote sensing. To validate the data obtained, the results originated from the HPLC-CHEMOTAX were compared to other techniques used for identification and quantification, such as microscopy, flow cytometry and bio-optics. First, we focused on a temporal series (14 years) where we analyzed the seasonal and inter-annual dynamics of the phytoplanktonic community. We have verified that the phytoplanktonic community follows a seasonal pattern, just as had been observed in previous studies: diatoms dominated the blooms of late winter/early spring, while Synechococcusshowed maximum abundances during the months of April and August. The cryptophytes and dinoflagellates showed a positive response to sporadic fertilization events, associated mainly to stormy events. In the next study of this thesis, we analyzed the size fractions obtained from sequential filtrations by HPLC-CHEMTAX(total, n+m>3 μm and pico<3 μm) and we compared the results obtained with the algorithms proposed by Vidussi et al. (2001), Uitz et al. (2006) and Hirata et al. (2011). We also measured the specific absorption coefficient of phytoplankton and we compared it with size indicators. Our observations suggest that studies using size fractionation can inform about the sturcture of sizes of a community and that the absorption coefficient of phytoplankton is mainly associated with the pigment composition of the cells and the photoacclimation processes in different phytoplanktonic communities. Finally, with the aim of describing the diversity, abundance and physiologic characteristics of the phytoplanktonic community associated with the formation of marine aerosols, we have used the HPLC-CHEMOTAX in the Antarctic Ocean. Our study highlighted the association of cryptophytes in stratified surface waters influenced by ice fusion, the bloom of diatoms in South Georgia, an area rich in iron, as well as the substantial contributions of less studied groups such as the pelagophytes. In summary, this thesis shows the effectiveness of the HPLC-CHEMOTAX to study phytoplanktonic communities in varying ecological processes and environmental conditions. And in addition, the results obtained demonstrate that the HPLC-CHEMOTAX is also appropriate to quantify simultaneously different size classes of phytoplankton

[ES] A pesar de su microscópico tamaño, el fitoplancton representa hasta el 50% de toda la producción primaria de la Tierra y ejerce de conector entre los procesos oceánicos y atmosféricos. Por lo tanto, el fitoplancton constituye un pilar central necesario para la comprensión de los ciclos de materia y energía de los océanos. Sus atributos como el tamaño, abundancia, comunidades, funciones, conjunto pigmentario y taxonomía proporcionan información relevante para entender los procesos de cambio global. En las últimas décadas, el uso de la cromatografía por HPLC (High-performance Liquid Chromatography) se ha revelado como una metodología muy efectiva para el estudio del fitoplancton marino. Dicha técnica combinada con la utilización del programa estadístico CHEMTAX permite identificar de forma eficiente la contribución de diversas clases taxonómicas. Esta tesis se ha centrado en el uso del HPLC-CHEMTAX para identificar las comunidades fitoplanctónicas en tres regiones: el Mar Mediterráneo, el Océano Atlántico y el Océano Antártico, caracterizados por distintos estados tróficos (desde oligotróficos a eutróficos). Con los resultados obtenidos esperamos contribuir a la comprensión de las respuestas biogeoquímicas locales en un contexto de cambios globales, así como mejorar futuros modelos de ecosistemas y algoritmos para sensores remotos. Para validar los datos obtenidos, los resultados provenientes del HPLC-CHEMTAX fueron comparados con otras técnicas de identificación y cuantificación, tales como microscopía, citometría de flujoy bio-óptica. Primeramente, nos centramos en una serie temporal (14 años) donde se analizaron las dinámicas estacionales e interanuales de las comunidades fitoplanctónicas. Hemos verificado que el conjunto de la comunidad fitoplanctónica sigue un patrón estacional, tal y como se había visto en estudios anteriores: las diatomeas dominaron las proliferaciones de final de invierno/inicio de primavera, mientras que Synechococcus presentó su máximo en los meses de Abril y Agosto. Los criptofitos y los dinoflagelados respondieron de forma positiva a fenómenos esporádicos de fertilización, principalmente a los asociados con eventos de precipitación. En el siguiente estudio de esta tesis hemos analizados las fracciones de tamaño obtenidas por filtraciones seriadas con HPLC-CHEMTAX (total, n+m>3 μm y pico<3 μm) y comparamos los resultados obtenidos con los algoritmos propuestos por Vidussi et al. (2001), Uitzet al. (2006) e Hirata et al. (2011). También medimos el coeficiente específico de absorción del fitoplancton y se comparó con indicadores de tamaño. Nuestras observaciones sugieren que los análisis mediante fraccionamientos pueden informar sobre la estructura de tamaños de la comunidad, y que la variación del coeficiente de absorción del fitoplancton está relacionada principalmente con la composición pigmentaria de las células y los procesos de fotoaclimatación en las diferentes comunidades de fitoplancton. Finalmente, con la finalidad de describir la diversidad, abundancia y características fisiológicas de la comunidad fitoplanctónica en relación con la formación de aerosoles marinos, se ha utilizado el HPLC-CHEMTAX en el Océano Antártico. Nuestro análisis destacó la asociación de criptofitas con aguas superficiales estratificadas influenciadas por la fusión del hielo, la floración de diatomeas en Georgia del Sur, una región rica en hierro, -12 -así como la contribución sustancial de formas menos estudiadas como las pelagofitas. En resumen, esta tesis prueba la eficacia del uso del HPLC-CHEMTAX para el estudio de las comunidades fitoplanctónicas en distintos procesos ecológicos y condiciones ambientales. Además, los resultados obtenidos demuestran que el HPLC-CHEMTAX es adecuado para cuantificar e identificar simultáneamente distintas clases de tamaño de fitoplancton

[CAT] Tot i la seva mida microscòpica, el fitoplàncton contribueix fins al 50% de tota la producció primària de la Terra i fa de ‘connector’ entre els processos oceànics i atmosfèrics. Això fa que el fitoplàncton sigui un pilar fonamental per a la comprensió dels cicles de matèria i energia dels oceans. Les seves característiques, tals com la mida, abundància, comunitats, funcions, conjunt pigmentari i taxonomia, proporcionen informació rellevant per entendre els processos de canvi global. Durant les últimes dècades, l’ús de la cromatografia per HPLC (High-performance Liquid Chromatography) ha esdevingut una metodologia molt efectiva per a l’estudi del fitoplàncton marí. Combinat amb la utilització del programa estadístic CHEMTAX permet identificar de manera efectiva la contribució de diverses classes taxonòmiques. Aquesta tesis s’emmarca en l’ús del HPLC-CHEMTAX per tal d’identificar les comunitats de fitoplàncton en tres regions: el Mar Mediterrani, l’Oceà Atlàntic i l’Oceà Antàrtic, aquestes tres regions es caracteritzen per tenir diferents condicions de fertilitat (des de oligotròfiques fins a eutròfiques). Amb els resultats obtinguts en aquesta tesi esperem a millorar la comprensió de les respostes biogeoquímiques locals en un context de canvis globals, així com també millorar futurs models d’ecosistemes i algoritmes per a sensors remots. Per tal de validar les dades obtingudes, els resultats provinents del HPLC-CHEMTAX van ser comparats amb altres tècniques de identificació i quantificació, tals com microscopia, citometria i bio-òptica. Primerament, vam analitzar una sèrie temporal (14 anys) on es van analitzar les dinàmiques estacionals i interanuals de les comunitats fitoplantòniques. S’ha comprovat que el conjunt de tota la comunitat de fitoplàncton segueix un patró estacional i, tal com s’havia observat en estudis anteriors, les diatomees van dominar les proliferacions al final de l’hivern/inici de primavera, mentre que Synechococcus va presentar el seu màxim durant els mesos d’abril i agost. Les criptofites i els dinoflagel·lats van respondre de manera positiva a fenòmens esporàdics de fertilització, principalment associats a events de precipitació. Posteriorment, durant el següent estudi d’aquesta tesis, hem analitzat les fraccions de mida obtingudes per filtracions amb els resultats obtinguts per HPLC-CHEMTAX (total, n+m>3 μm i pico<3 μm) i es van comparar els resultats obtinguts amb els algoritmes proposats per Vidussi et al. (2001), Uitz et al. (2006) i Hirata et al. (2011). També es va medir el coeficient específic d’absorció del fitoplàncton i es va comparar amb indicadors de tamany. Les nostres observacions suggereixen que els anàlisis de fraccionament poden informar sobre la estructura de mides de la comunitat, i que la variació del coeficient d’absorció del fitoplàncton està relacionat principalment amb la composició pigmentaria de les cèl·lules i amb els processos de fotoaclimatació en les diferents comunitats de fitoplàncton. Finalment, amb la finalitat de descriure la diversitat, abundància i característiques fisiològiques de la comunitat fitoplanctònica en relació amb la formació d’aerosols marins s’ha utilitzat el HPLC-CHEMTAX a l’Oceà Antàrtic. El nostre anàlisis destaca la associació de criptofites amb aigües superficials estratificades influenciades per la fusió del gel, la floració de diatomees a Georgia del Sud, una regió rica en ferro, així com la contribució substancial de formes menys estudiades de pelagophytes. En resum, aquesta tesis prova la eficàcia de l’ús del HPLC-CHEMTAX per a l’estudi de les comunitats fitoplanctòniques en diferents processos ecològics i condicions ambientals. A més, els resultats obtinguts demostren que el HPLC-CHEMTAX es adequat per quantificar i identificar simultàniament diferents classes de mides de fitoplàncton