Climate change and biodiversity loss: marine phytoplankton community tolerance to temperature and salinity stress

Abstract

The aim of the present PhD thesis entitled ‘Climate change and biodiversity loss: marine phytoplankton community tolerance to salinity and temperature stress’ was to experimentally investigate how changes in biodiversity (species – OTUs richness) affect the phytoplankton and the interacting unicellular eukaryotes community response and sensitivity against environmental perturbations. I chose to manipulate phytoplankton biodiversity non-randomly (by applying a heat shock) in order to mimick the loss of species in natural communities. More specifically, I performed two mesocosm experiments implementing the Vinebrooke’s et al. (2004) double stressor concept and using as experimental communities the natural autumn plankton from Kiel Bight, Baltic Sea (sampled on 28 October 2015) and early summer plankton from Thermaikos Bay, Mediterranean Sea (sampled on 16 June 2015). A transient “pulse” stressor was applied in order to change plankton composition and biodiversity and thus affect the resistance to a subsequent “press” stressor of different nature. For the “pulse” stressor I chose a temperature increase mimicking natural heat-waves, while a positive and negative change in salinity were chosen as subsequent, second stressor. Furthermore, during one year monitoring of the coastal urban environment of Thessaloniki Bay I examined the phytoplankton community biodiversity changes in relation to ecosystem’s changes in water temperature and salinity, factors which were used as the “pulse” and “press” stressors in the mesocosm experiments I performed to experimentally implement the Vinebrooke’s et al. (2004) double stressor concept.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η πειραματική διερεύνηση των μεταβολών της βιοποικιλότητας του φυτοπλαγκτού και των συνυπαρχόντων μικροευκαρυωτών στην βιοκοινότητα από την αύξηση της θερμοκρασίας και οι πιθανές επιπτώσεις αυτών στην απόκριση της βιοκοινότητας στην αύξηση/μείωση της αλατότητας. Βιοκοινότητες θαλάσσιου πλαγκτού από τον Όρμο της Θεσσαλονίκης και τη Βαλτική Θάλασσα (Kiel Bight) σε μεσοκόσμους αποτέλεσαν τις πειραματικές βιοκοινότητες-μοντέλα της έρευνας. Στα πειράματα μεσοκόσμου η αύξηση της θερμοκρασίας σχεδιάστηκε να λειτουργεί ως αρχικός παράγοντας καταπόνησης με σκοπό τη δημιουργία δύο ξεχωριστών πλαγκτικών βιοκοινοτήτων, μία που θα διατηρείται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και μία σε αυξημένη θερμοκρασία (+6 oC). Κατόπιν, οι δύο βιοκοινότητες υποβλήθηκαν σε καταπόνηση αλατότητας. Τρία επίπεδα αλατότητας διερευνήθηκαν, η αλατότητα περιβάλλοντος, η χαμηλή αλατότητα (-5 psu) και η υψηλή αλατότητα (+5 psu). Συνολικά 6 συνθήκες (2 επίπεδα θερμοκρασίας Χ 3 επίπεδα αλατότητας) εξετάστηκαν στα πειράματα μεσοκόσμων και για κάθε συνθήκη έγιναν 4 επαναλήψεις (24 πειραματικοί μεσόκοσμοι για κάθε περιοχή). Η απόκριση της κάθε πλαγκτικής βιοκοινότητας προσδιορίστηκε τόσο με την κλασική μέθοδο εξέτασης της σύνθεσης και αφθονίας των ειδών σε ανάστροφο μικροσκόπιο όσο και με τεχνικές αλληλούχισης νέας γενεάς (Illumina sequencing). Επίσης πραγματοποιήθηκε μέτρηση της βιοποικιλότητας με τις μετρικές δεικτών ποικιλότητας αριθμός ειδών, (πληθυσμιακή πυκνότητα) αφθονία και ισοκατανομή με βάση τα δεδομένα τόσο για τα μορφολογικά είδη όσο και τις ταξινομικές μονάδες βάσει αλληλουχιών του 18S rRNA γονιδίου . Επιπλέον, εξετάστηκε η λειτουργική βιοποικιλότητα κάθε βιοκοινότητας (μέσω των τροφικών προτιμήσεων των ταξινομικών μονάδων) και έγινε υπολογισμός της βιομάζας φυτοπλαγκτού. Η αλληλούχιση του 18S rRNA γονιδίου συνδυάστηκε με την αλληλούχιση του 18S rRNA με σκοπό να ταυτοποιηθούν οι ενεργοί και μη ενεργοί μικροοργανισμοί (φυτοπλαγκτικοί και αλληλεπιδρώντες ευκαρυώτες) και να μελετηθούν άγνωστες μέχρι πρότινος οικολογικές αποκρίσεις της μικροβιακής κοινότητας του θαλάσσιου περιβάλλοντος. Τέλος, εξετάστηκε σε χρονική κλίμακα συμβατή με τον χρόνο γενεάς και τον χρόνο απόκρισης των ειδών στις μετεωρολογικές συνθήκες (εβδομαδιαία ανάλυση) η βιοποικιλότητα της βιοκοινότητας του φυτοπλαγκτού του Όρμου Θεσσαλονίκης σε ετήσιο κύκλο μεταβολών της θερμοκρασίας νερού και της αλατότητας.