Reconstructions of aquatic primary producer dynamics, cyanobacteria dominance and cyanotoxin concentrations in subtropical lake ecosystems throughout the Holocene and Late Pleistocene

Abstract

Harmful algal blooms (HABs) are intensifying globally, threatening freshwater ecosystems and public health. Although modern HABs have been extensively studied in the context of anthropogenic nutrient enrichment, the long-term ecological dynamics driving cyanobacteria dominance and cyanotoxin production remain underexplored. Lake sediments serve as natural archives of past environmental change, yet paleolimnological approaches have rarely been applied over millennial timescales in subtropical lake systems. This dissertation reconstructs the dynamics of primary producers, cyanobacteria dominance, and cyanotoxin concentrations throughout the Holocene and Late Pleistocene in four shallow lakes in the southeastern United States. By utilizing sedimentary photosynthetic pigments and cyanotoxins (total microcystins, MCs), it investigates the ecological patterns underlying long-term eutrophication and HAB development. Chapter 1 introduces the background and rationale for this research. Chapter 2 examines a ~6,900-year sediment record from Lake Wauberg, Florida, where natural phosphate geology led to millennial-scale enrichment of total phosphorus (TP) that sustained cyanobacteria. However, sharp increases in cyanobacteria and MCs only occurred once TP exceeded ~2.2 mg g⁻¹ in the past ~300 years. Chapter 3 investigates the deposition of MCs in two hypereutrophic Florida lakes, Dora and Marian, with sediment records spanning approximately 7,000 years. The results indicate that MC deposition has occurred throughout the history of these lakes, with its concentration varying over time and being primarily driven by nutrient levels, particularly TP, and primary producer composition, rather than climate. Chapter 4 analyzes a ~27,500-year record from Lake Waccamaw, North Carolina, demonstrating persistent cyanobacteria dominance and MC production under natural climate variability during both glacial and interglacial periods. Abrupt shifts in aquatic and terrestrial ecosystems during Interstadial 3 (~27.8-26.4 ka BP) and the early Holocene (~11.4-7 ka BP) underscore the roles of hydroclimatic forcing and nutrient stoichiometry in shaping the dynamics of aquatic primary producers. Together, these studies demonstrate the value of millennial-scale paleolimnological records in identifying ecological thresholds, understanding the natural baseline conditions of HABs, and contextualizing modern changes in lake systems.

Οι επιβλαβείς ανθίσεις φυκών (HABs) εντείνονται σε παγκόσμια κλίμακα, απειλώντας τα οικοσυστήματα γλυκού νερού και τη δημόσια υγεία. Παρόλο που οι σύγχρονες HABs έχουν μελετηθεί εκτενώς στο πλαίσιο του ανθρωπογενούς εμπλουτισμού με θρεπτικά στοιχεία, η μακροχρόνια οικολογική δυναμική που καθορίζει την κυριαρχία των κυανοβακτηρίων και την παραγωγή κυανοτοξινών παραμένει ανεξερεύνητη. Τα ιζήματα των λιμνών αποτελούν φυσικά αρχεία αλλαγών στο περιβάλλον, ωστόσο παλαιολιμνολογικές προσεγγίσεις σπάνια έχουν εφαρμοστεί σε κλίμακες χιλιετιών, ιδιαίτερα σε υποτροπικά λιμναία συστήματα. Η παρούσα διατριβή ανασυνθέτει τη δυναμική των πρωτογενών παραγωγών, την κυριαρχία των κυανοβακτηρίων και τις συγκεντρώσεις κυανοτοξινών κατά τη διάρκεια του Ολόκαινου και του Ύστερου Πλειστόκαινου σε τέσσερις ρηχές λίμνες των νοτιοανατολικών Ηνωμένων Πολιτειών. Χρησιμοποιώντας ιζηματογενείς φωτοσυνθετικές χρωστικές και κυανοτοξίνες (συνολικές μικροκυστίνες, MCs), διερευνάται η οικολογική συμπεριφορά που διέπει τον μακροχρόνιο ευτροφισμό και την ανάπτυξη των HABs. Το Κεφάλαιο 1 παρουσιάζει το υπόβαθρο και το σκεπτικό αυτής της έρευνας. Το Κεφάλαιο 2 εξετάζει ένα αρχείο ιζημάτων περίπου 6.900 ετών της λίμνης Wauberg στη Φλόριντα, όπου η φυσική γεωλογία φωσφορικών οδήγησε σε εμπλουτισμό συνολικού φωσφόρου (TP) κατά τη διάρκεια χιλιετιών και υποστήριξε την παρουσία κυανοβακτηρίων. Ωστόσο, σημαντικές αυξήσεις στα κυανοβακτήρια και στις MCs συνέβησαν μόνο όταν ο TP ξεπέρασε περί τα 2,2 mg g⁻¹ τα τελευταία 300 χρόνια. Το Κεφάλαιο 3 εξετάζει την εναπόθεση MCs σε δύο υπερτροφικές λίμνες της Φλόριντα, τη Dora και τη Marian, με αρχεία ιζημάτων που εκτείνονται περίπου 7.000 χρόνια. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η εναπόθεση MCs συνέβη καθ' όλη την ιστορία αυτών των λιμνών, με τη συγκέντρωση να ποικίλλει στον χρόνο και να εξαρτάται κυρίως από τα επίπεδα θρεπτικών στοιχείων, ειδικά του TP, και τη σύνθεση των πρωτογενών παραγωγών παρά από το κλίμα. Το Κεφάλαιο 4 αναλύει ένα αρχείο ιζημάτων περίπου 27.500 ετών της λίμνης Waccamaw στη Βόρεια Καρολίνα, και αναδεικνύει την κυριαρχία των κυανοβακτηρίων και την παραγωγή MCs υπό φυσική κλιματική μεταβλητότητα τόσο σε παγετώδεις όσο και σε μεσοπαγετώδεις περιόδους. Οι απότομες αλλαγές στα υδάτινα και χερσαία οικοσυστήματα κατά τη διάρκεια του Μεσοσταδίου 3 (περίπου 27,8-26,4 χιλ. χρόνια πριν το παρόν) και του πρώιμου Ολόκαινου (περίπου 11,4-7 χιλ. χρόνια πριν το παρόν) αναδεικνύουν το ρόλο των υδροκλιματικών πιέσεων και της στοιχειομετρίας των θρεπτικών στοιχείων στη διαμόρφωση της δυναμικής των υδρόβιων πρωτογενών παραγωγών. Συνολικά, οι μελέτες αυτές αναδεικνύουν την αξία των παλαιολιμνολογικών αρχείων για τον εντοπισμό οικολογικών ορίων σε κλίμακές χιλιετιών, την κατανόηση των φυσικών υποβάθρων των HABs και την εισαγωγή των σύγχρονων αλλαγών που παρουσιάζονται σε λιμναία συστήματα σε ένα ευρύτερο περιβαλλοντικό πλαίσιο.