Autotrophic picoplankton in tropical reservoirs: A hydrobiological approximation of their abundance, dynamics and diversity

Abstract

In the present study, the abundance, dynamics and diversity of photosynthetic picoplankton were studied, with emphasis on the picocyanobacteria community, in two tropical reservoirs of Puerto Rico (Cerrillos and Lucchetti). Evolutionary changes in autotropic picoplankton over the limnological cycle, as well as environmental factors that control its population were analyzed. Autotrophic picoplankton cells were identified and quantified using flow cytometry and epifluorescence microscopy. These techniques allowed the identification of two populations of picoplanktonic organisms in the Cerrillos Reservoir. The picocyanobacteria (phycoerythrin-rich Synechococcus type) were dominant throughout the study, with maximum abundance of 6.6 × 104 cells mL-1. Picoeukaryotes were two orders of magnitude less abundant. The biomass of autotrophic picoplankton averaged of 0.56 mg L-1 and the contribution to the total chlorophyll-a was 11%. Chlorophyll-a concentration reflected the annual variation of autotrophic picoplankton. Its concentration was highest during the period of maximum stratification when solar radiation and nutrients increased. The picoplanktonic community was structured in accordance to thermal stratification, nutrient and light availability. Limnological conditions and seasonal dynamics of the picocyanobacteria community in two tropical reservoirs of different trophic status were compared. Environmental parameters that control the trophic status, abundance and biomass of picocyanobacteria of the reservoirs were analyzed and compared. The application of Carlson trophic state index showed the Cerrillos Reservoir as oligomesotrophic and Lucchetti as eutrophic. Flow cytometry techniques allowed clear differentiation between the picocyanobacteria and other groups of picoplankton in both systems. The results suggest differences in productivity and abundance of picocyanobacteria between reservoirs. The picocyanobacteria were present throughout the year in the two reservoirs, however their abundance and biomass were significantly higher in the oligo-mesotrophic reservoir than in the eutrophic system. The temporal and vertical dynamics of picocyanobacteria were compatible with the period of stratification and mixing, showing a unimodal pattern with a maximum peak of abundance during the summer, an important difference from the lakes in temperate latitudes which have two fluctuations in the picoplankton density during the annual cycle. Finally, 16S DNA samples from the two reservoirs with different trophic status were compared to determine the composition and diversity of the picocyanobacteria community through the environmental metagenomics technique. Greater part of the sequences grouped at the phylum Cyanobacteria of Cerrillos reservoir were dominated by Synechococcus, representing 29% of the total genera found, and with a few sequences of Cyanobium (5%). In the Lucchetti reservoir, the picocyanobacteria group comprised two genera: Synechococcus representing 2%, and Cyanobium with 0.1% of all genera of the microbial community. The picocyanobacteria community in the ecosystems studied was diverse and variable, and the strains were dispersed in the tree of polyphyletic origin. Most lineages were unique to a single ecosystem, however certain strains were present in both environments and their closest relatives are in different geographic regions and with contrasting limnological characteristics. It appears that the trophic state of the reservoirs studied significantly influences the diversity, composition and abundance of picocyanbacteria community. Picocyanobacteria exhibited high plasticity and can easily adapt to eutrophic conditions, however their community was best developed in oligomesotrophic environments.

Se estudió la abundancia, la dinámica y diversidad del picoplancton fotosintético con énfasis en la comunidad de picocianobacterias en dos embalses tropicales de Puerto Rico (Cerrillos y Luccheti. Se analizó, la evolución del picoplancton a lo largo del ciclo limnológico, así como los factores ambientales que controlan su población. Las células del picoplancton autotrófico se identificaron y cuantificaron usando citometría de flujo y microscopía de epifluorescencia. Estas técnicas permitieron la identificación de dos poblaciones de organismos picoplanctónicos en el embalse Cerrillos. Las picocianobacterias (con ficoeritrina tipo Synechococcus) fueron dominantes durante todo el estudio, con máxima abundancia de 6.6 × 104 células mL-1. Los picoeucariotes fueron dos órdenes de magnitud menos abundantes. La biomasa del picoplancton autotrófico tuvo un promedio de 0.56 μg L-1, y la contribución media de picoplancton autotrófico al total de clorofila-a fue de 11%. La concentración de clorofila-a reflejó la variación anual del picoplancton autotrófico. Su concentración fue más alta durante el periodo de máxima estratificación, cuando la radiación solar y los nutrientes aumentaron. La comunidad picoplanctónica se estructuró de acuerdo a la estratificación térmica, nutrientes y disponibilidad de luz. En adición, este estudio comparó las condiciones limnológicas y la dinámica estacional de la comunidad de picocianobacterias en dos embalses tropicales de diferente estado trófico. Se analizaron los parámetros ambientales que controlan el estado trófico, la abundancia y biomasa de picocianobacterias y se comparó entre embalses. La aplicación del índice de estado trófico Carlson mostró al embalse Cerrillos como oligomesotrófico y a Lucchetti como eutrófico. La técnica de citometría de flujo permitió diferenciar claramente la población de picocianobacterias de otros grupos del picoplancton en ambos sistemas. Los resultados sugieren que existen diferencias en la productividad y la comunidad de picocianobacterias entre los dos embalses. Las picocianobacterias estuvieron presentes durante todo el año en ambos embalses. Sin embargo, la abundancia y biomasa fue significativamente mayor en el embalse oligo-mesotrófico que en el sistema eutrófico. La dinámica temporal y vertical de picocianobacterias es compatible con el período de estratificación y mezcla, que muestra un patrón unimodal con un pico de máxima abundancia durante el verano, diferencia importante con relación a los lagos de latitudes templadas que presentan dos fluctuaciones en la densidad del picoplancton durante el ciclo anual. Por ultimo, muestras de DNA 16S de dos embalses con diferente estado trófico se compararon para conocer la composición y diversidad de las picocianobacterias utilizando un análisis de metagenómica ambiental. La mayor parte de las secuencias agrupadas al phylum Cyanobacteria del embalse Cerrillos fueron clasificadas como Synechococcus, el cual representa el 29% del total de los géneros encontrados, y un menor número de secuencias fueron clasificadas como Cyanobium (5%). En contraste, el grupo de picocianobacterias del embalse Lucchetti presento una menor proporción respecto a la población microbiana, Synechococcus (2%) y Cyanobium (0,1%) . La comunidad de picocianobacterias en los ecosistemas estudiados es diversa y variable, sus cepas se dispersan en el árbol de origen polifilético. La mayoría de los linajes fueron exclusivos de un solo ecosistema, sin embargo ciertas cepas estuvieron presentes en ambos ambientes y sus parientes más cercanos se encuentran en diferentes regiones geográficas y con características limnológicas contrastantes. Parece ser que el estado trófico de los embalses estudiados, influye significativamente en la diversidad, la composición y la abundancia de la comunidad de picocianobacterias. Las picocianobacterias muestran una alta plasticidad y puede adaptarse fácilmente a las condiciones eutróficas, sin embargo se desarrollan mejor en ambientes oligotróficos.