Meiofauna assemblages from cold seeps in the Arctic

Balsa, João Pedro Esteves

http://hdl.handle.net/10400.1/19605

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Authors

Balsa, João Pedro Esteves

Advisor(s)

Ramalho, Sofia Alexandra Pinto

Duarte, Duarte

Abstract(s)

Fontes frias são um fenómeno presente em todos os oceanos, caracterizado pelo fluxo de fluídos e gases ricos em metano, sulfureto ou até petróleo bruto emanados através da interface entre sedimento e água no fundo do mar, e formados através de diversos processos como biogénicos e termogénicos, mas também abiogénicos. Apesar da libertação de fluídos e gases ricos em compostos químicos, muitas vezes tóxicos à vida animal, estes habitats são considerados hotspots de biomassa no fundo oceânico, dependentes fontes de energia alternativa à produção heterotrófica, nomeadamente através da quimiossíntese geralmente mediada por bactérias. Estas bactérias formam frequentemente agregados no solo marinho, denominados como “tapetes bacterianos”, constituindo a base da teia alimentar destes habitats. Ao afastar das zonas de maior concentração de fluídos ricos em hidrocarbonetos onde frequentemente se concentram os tapetes bacterianos, tipicamente é possível observar uma zonação de diferentes comunidades faunísticas presentes, frequentemente descritos como micro-habitats. Esta heterogeneidade espacial de pequena escala é não só impulsionada por diversos fatores físicos e químicos, como também por processos geológicos e atividade biológica. A zonação é frequentemente refletida em diferenças nas densidades populacionais dos diferentes grupos na estrutura das comunidades, e na diversidade. Apesar de ser considerado um fenómeno comum, inclusive nas regiões mais a norte do nosso planeta, os estudos realizados até hoje em fontes frias no Ártico focam-se sobretudo na análise dos processos geológicos subjacentes a este fenómeno, tais como a composição geoquímica dos fluídos e sedimentos destes habitats, enquanto que estudos dedicados à biologia são limitados ao estudo de comunidade microbiana ou de organismos bentónicos da macro- e megafauna, tipicamente de dimensões superiores a 500 m, deixando uma grande falta de conhecimento nos organismos de menor dimensões, a meiofauna. A meiofauna (≥32μm a 1mm) é conhecida como o grupo faunístico mais abundante e diverso em sedimentos marinhos, dos quais o filo Nematoda por norma constitui a fração dominante (>90%). Este grupo é também um componente fundamental nas cadeias tróficas marinhas, bem como no suporte de diversas funções dos ecossistemas como ciclo biogeoquímico dos sedimentos. Até à presente data, estudos realizados em fontes frias no Ártico são muito reduzidos, limitando-se às zonas mais a norte no mar de Barents, como no vulcão de lava Hakon Mosby, e em duas fontes-frias junto da margem norueguesa, Storegga e Nyegga. Os resultados obtidos nesses estudos demostraram importantes observações, tais como uma clara distinção na composição da meiofauna e nematodes entre os diferentes micro-habitats, bem como de zonas de referência adjacentes às zonas de influência da fonte fria (e.x. tapetes bacterianos, campos de poliquetas do grupo Frenulata, etc.). Adicionalmente, observou-se uma relação negativa entre as densidades de meiofauna e macrofauna, suportando a hipótese de uma competição direta pelos recursos existentes, bem como evidência de alterações de comportamento e fisiologia de modo a sobreviver as condições extremas e muitas vezes tóxicas dos sedimentos em fontes frias, tais como ovoviviparidade na Halomonhsytera disjuncta, que permite o desenvolvimento interno de nematodes juvenis no interior do útero das fêmeas até estes terem um crescimento adequado e finalmente serem libertados já com maior resistência a xenobióticos e maior motilidade. No âmbito do projeto AKMA – Advancing knowledge of methane in the Arctic, foram amostradas pela primeira vez duas fontes frias ao largo da costa de Svalbard, nomeadamente junto da região de Prins Karl Forland a 112m de profundidade, bem como na região sul da crista de Vestnesa, a cerca de 870m. Com o auxílio do ROV ÆGIR 6000, foram recolhidas três réplicas de sedimentos em zonas onde existia fluxo ativo e cobertura por tapetes bacterianos, bem como três réplicas em áreas a onde não foi observado fluxo de fluídos ou gases, como referência. Os sedimentos recolhidos tiveram por fim o estudo integrado da meiofauna, bem como características físico-químicas dos sedimentos. Em laboratório, a meiofauna foi extraída dos sedimentos através do método de centrifugação, seguido da contagem e identificação dos grandes grupos da meiofauna. Após contagem, foram recolhidos aproximadamente 150 nemátodes de modo aleatório e montadas lâminas para identificação ao microscópio até ao nível do género quando possível, bem como descrição de atributos funcionais chave de modo a relacionar com potenciais funções no ecossistema. As composições das comunidades de meiofauna, assim como a diversidade estrutural e funcional de nemátodes, foram investigadas em relação ao tipo de micro-habitat, nomeadamente zonas de sedimento cobertas por tapetes bacterianos e referência, em ambas as zonas de estudo localizadas a profundidades distintas. Observações biológicas foram interpretadas em relação a vários dados ambientais recolhidos, como o tipo de sedimento, a temperatura da água e a concentração de metano, entre outros. Neste estudo foram observadas ligeiras diferenças na abundância total de meiofauna entres as zonas de fluxo ativo em comparação à referência da superestação menos profunda (Prins Karl Forland). Por outro lado, a composição de comunidade de nemátodes foi expressamente distinta, sendo que existe uma menor diversidade no geral devido à dominância por parte de dois géneros da família Monhsyteridae (Halomonhystera sp.) e Chromadoridae (Chromadoridae msp1). Na superestação mais profunda (sul da crista de Vestnesa), a densidade geral das comunidades foi expressivamente maior nas áreas de referência sendo que, ao contrário, do habitualmente observado, os copépodes foram o grupo observado mais abundante. As características funcionais dos nemátodes apresentaram diferenças consoante os micro-habitats estudados, indicando que atributos biológicos associados a aspetos funcionais são distintos dependendo das condições do habitat. Nemátodes de grupos tróficos, tais como os epistrate feeders, foram consistentemente dominantes em sedimentos redutores com presença de cobertura de tapetes bacterianos, dos quais possivelmente se alimentam. A reprodução ovovivípara presente nos tapetes bacterianos, associados à emissão de fluídos e óleo na região de Prins Karl Forland, são expressão de uma importante adaptação dos progenitores para garantir a sobrevivência da descendência em ambientes altamente tóxicos como os sentidos neste local. Esta adaptação ao contrário do que observado anteriormente foi não só identificada na Halomonhystera sp., tal como na região do vulcão de lama Håkon Mosby, como também em mais dois géneros, Halanonchus sp. e um género por identificar pertencente à família Cyatholaimidae (Cyatholaimidae msp1). Os resultados obtidos neste estudo permitiram, pela primeira vez, caracterizar comunidades de meiofauna em fontes frias na região do Ártico, sublinhando o impacto que os ambientes reduzidos podem ter nas comunidades de infauna em áreas de risco de destabilização associado às alterações climáticas.

Cold seeps are unique habitats characterized by the flow of reduced chemical compounds, often rich in methane, sulfide, and even crude oil, exuding at the seafloor. These habitats are considered energy hotspots, establishing singular conditions, for endemic fauna to thrive. Studies conducted in cold seeps in the Arctic Ocean have mainly investigated their geological and geochemical setting, while biological studies have been focused on the large-sized organisms, such as macro- and megafauna, with an unsettling lack of research on smaller-sized organisms belonging to meiofauna. Under the scope of the AKMA project, two depth-differing sites were sampled, with replicates in both active venting sites with fluids and oil covered by bacterial mats, and reference areas where no active venting was observed. Meiofaunal communities and nematode structural and functional diversity were investigated between the two micro-habitats at each shallow and deep-water site. Meiofaunal and nematode abundance were slightly higher in the bacterial mats at the shallow-water seep site and composed of a less diverse community, with the dominance of two genera from the family Monhysteridae (Halomonhystera sp.) and Chromadoridae (Chromadoridae msp1). At the deeper site overall communities’ densities at the reduced sediments were lower compared to the reference, and meiofauna was predominantly composed of copepods in the bacterial mats, while nematodes were predominant in the reference sediments, where they also recorded a higher genus diversity. Functional traits investigated differed between micro-habitats, indicating that the nematode’s functional role might vary depending on the local environmental conditions. The presence of ovoviviparous reproduction, an adaptation of which parents secure their brood survival in conditions of high toxicity, was identified in three different nematode genera, Halomonhystera sp., Halanonchus sp., and one not yet identified from the family Cyatholaimidae (Cyatholaimidae msp1), proving clues to strategies which nematodes develop to survive and even thrive in reduced environments such as cold seeps.