Effects of atmospheric deposition on microbial dynamics and composition in two anthropogenically-influenced contrasted coastal sites

Abstract

The Mediterranean Sea is an oligotrophic basin, while the atmosphere above is affected by continuous emissions of anthropogenic aerosols and episodic Saharan dust events. These atmospheric inputs finally deposit (as wet or dry deposition) into surface waters, delivering high amounts of macronutrients and trace metals to surface waters. This process can constitute a main source of nutrient supply at certain times of the year, especially during the stratification period of the column water (May - October). In this thesis, we have assessed the effect of atmospheric particles on coastal planktonic communities following two approaches.

On one side, we have characterized the atmospheric deposition fluxes of the main macronutrients that limit or co-limit plankton growth and production in Mediterranean surface waters (i.e. inorganic nitrogen, phosphate, silicate, and organic carbon). To do so, we have measured the total atmospheric deposition (wet and dry) at two coastal locations of the northwestern Mediterranean with a contrasted anthropogenic footprint - Barcelona, urban location, and Blanes, with a lower degree of human impact, using passive collectors. We carried out a time-series of 4.5 years in Barcelona, and 3 years in Blanes. We observed that the deposition of the studied nutrients from the atmosphere occurs preferentially during the spring-summer season, coinciding with the stratification of the water column. In addition, we found some significant correlations between the nutrients released from the atmosphere and the concentration of chlorophyll and bacteria in seawater. In all, these results suggest that atmospheric deposition is an important source of new nutrients in coastal waters of the Mediterranean, with the potential to increase primary (autotrophic microorganisms) and secondary production (heterotrophic microorganisms) at certain times of the year.

On the other hand, with the aim to assess directly the effect of aerosols on microbial communities, we carried out microcosm experiments at the two coastal locations and in open waters of the western Mediterranean. We evaluated the effect of atmospheric particles from mineral (i.e. from the Saharan desert) and anthropogenic origin on marine phyto- and bacterioplankton at different times of the year. We found that aerosols did not produce significant effects on the microbial community during winter conditions, whereas atmospheric particles, especially from anthropogenic sources, significantly stimulated plankton growth and production during spring and summer. Anthropogenic aerosols enhanced bacterial metabolic processes significantly more than Saharan dust, what we mainly attribute to their higher content in soluble inorganic (mainly nitrogen, but also phosphate) and organic compounds. Furthermore, anthropogenic particles favored the growth of certain taxa of heterotrophic bacteria - mainly from the groups Alphaproteobacteria and Bacteroidetes - more than Saharan dust. Saharan dust instead enhanced preferentially the growth of Cyanobacteria during summer. The overall effect of atmospheric particles on marine bacteria is dependent on the chemical composition of the aerosols, their solubility in the seawater, and the biogeochemical status of the seawater before the aerosol additions (deposition). Our results agree with others obtained so far in the Mediterranean, while we go one step further when assessing the role of anthropogenic aerosols on marine bacteria, a process that remains poorly studied.

El Mar Mediterráneo es una cuenca oligotrófica cuya atmósfera se ve afectada por emisiones continuas de aerosoles antropogénicos, así como episodios de polvo sahariano. Estas partículas atmosféricas finalmente depositan en el mar (bien por vía húmeda o seca), aportando grandes cantidades de macro-nutrientes y metales traza a las aguas superficiales, pudiendo constituir su fuente principal en ciertas épocas del año, especialmente durante el período de estratificación de la columna de agua (Mayo - Octubre). En esta tesis, hemos evaluado el efecto de las partículas atmosféricas sobre las comunidades planctónicas costeras mediante la combinación de dos metodologías. Por un lado, hemos caracterizado los flujos de deposición atmosférica de los principales nutrientes que pueden limitar el crecimiento y la producción del plancton en las aguas superficiales mediterráneas (nitrógeno inorgánico, fosfato, silicato y carbono orgánico). Para ello, hemos medido la deposición atmosférica total (húmeda y seca) mediante colectores pasivos en dos lugares costeros del noroeste del Mediterráneo con distinta huella antropogénica - Barcelona, sitio urbano, respecto a Blanes, menos influenciado por la actividad humana - durante 4.5 (Barcelona) y 3 (Blanes) años. La deposición de estos nutrientes desde la atmósfera ocurre preferentemente durante la época de primavera-verano, coincidiendo con la estratificación de la columna de agua. Además, encontramos algunas correlaciones significativas entre los nutrientes liberados desde la atmósfera y la concentración de clorofila y bacterias en el agua de mar. Estos resultados sugieren por tanto que la deposición atmosférica es una fuente importante de nuevos nutrientes en las aguas costeras del Mediterráneo, con la capacidad de incrementar la producción primaria (microorganismos autótrofos) y secundaria (microorganismos heterótrofos). Por otro lado, con el objetivo de evaluar directamente el efecto de los aerosoles en las comunidades microbianas, realizamos experimentos de microcosmos en las dos localidades costeras y en aguas abiertas del Mediterráneo occidental. Evaluamos el efecto de las partículas atmosféricas tanto de origen mineral (es decir, procedentes del desierto del Sahara), como de origen antropogénico, sobre el fito- y bacterioplancton marino. Los estudios se llevaron a cabo en diferentes épocas del año. Observamos que los aerosoles no produjeron efectos significativos en la comunidad microbiana durante las condiciones de invierno, mientras que las partículas atmosféricas, especialmente las procedentes de fuentes antropogénicas, estimularon significativamente el crecimiento y la producción del plancton durante la primavera y el verano. Los aerosoles antropogénicos estimularon los procesos metabólicos hetrotróficos significativamente más que el polvo sahariano, lo que atribuimos principalmente a su mayor contenido en compuestos inorgánicos (principalmente nitrógeno, pero también fosfato) y orgánicos solubles. Además, las partículas antropogénicas favorecieron el crecimiento de ciertos taxones de bacterias heterotróficas - pertenecientes principalmente a los grupos Alphaproteobacteria y Bacteroidetes - más que el polvo sahariano. El polvo sahariano, en cambio, aumentó preferentemente el crecimiento de las cyanobacterias durante el verano. El efecto global de las partículas atmosféricas sobre las bacterias marinas depende de la composición química de los aerosoles, su solubilidad en el agua de mar, y el estado biogeoquímico del agua de mar antes de las adiciones (deposición) de aerosoles. Nuestros resultados coinciden generalmente con los obtenidos hasta ahora en el Mediterráneo, mientras que vamos un paso más allá al evaluar el impacto de los aerosoles antropogénicos en las bacterias marinas, proceso poco estudiado hasta la fecha.