Long-Term Eutrophication and Dynamics of Bloom-Forming Microbial Communities during Summer HAB in Large Arctic Lake

Abstract

Harmful algal blooms (HABs) in arctic lakes are recent phenomena. In our study, we performed a long-term analysis (1990–2017) of the eutrophication of Lake Imandra, a large subarctic lake, and explored the biodiversity of bloom-forming microorganisms of a 2017 summer HAB. We performed a 16Sr rRNA metabarcoding study of microbial communities, analysed the associations between N, P, C, and chlorophyll concentrations in the lake water, and developed models for the prediction of HABs based on total P concentration. We have demonstrated that blooms in Lake Imandra occur outside of optimal Redfield ratios and have a nonlinear association with P concentrations. We found that recent summer HABs in a lake occur as simultaneous blooms of a diatom Aulacoseira sp. and cyanobacteria Dolichospermum sp. We have studied the temporal dynamics of microbial communities during the bloom and performed an analysis of the publicly available Dolichospermum genomes to outline potential genetic mechanisms beneath simultaneous blooming. We found genetic traits requisite for diatom-diazotroph associations, which may lay beneath the simultaneous blooming of Aulacoseira sp. and Dolichospermum sp. in Lake Imandra. Both groups of organisms have the ability to store nutrients and form a dormant stage. All of these factors will ensure the further development of the HABs in Lake Imandra and the dispersal of these bloom-forming species to neighboring lakes.

Изменения Климата И Цветение Арктического Озера Имандра

“…Данные по содержанию хлорофилла а (Chl a) в воде плеса Йокостровская Имандра получены в ходе многолетних наблюдений в районе Комплексного мониторингового полигона (КМП) «Имандра» Карельского научного центра РАН (67°35'43.7"N 33°00'09.0"E). Для определения концентрации хлорофиллов фильтровали пробы воды объемом 1-2 л через мембранный фильтр с диаметром пор 0, 47 В анализ были включены изменения среднегодовых, сезонных и среднемесячных температуры воздуха, проценты облачности, количества осадков, продолжительность солнечного сияния (ПСС), коротковолновой радиации. Сезонные климатические тренды были включены ввиду потенциального влияния зимних и весенних условий на динамику вегетационного периода [56].…”

“…Всего за 2-3 недели весной рост водорослей в порах льда составлял примерно треть годовой первичной продуктивности [56]. Эксперименты с симпагическими сообществами озера Сен-Пьер продемонстрировали их способность к быстрому росту и сильную устойчивость к повышению температуры [26,37,47]. В период ледостава световые условия могут быть благоприятными для цветения фитопланктона в относительно узком слое воды.…”

“…Результаты исследований финских озер показали, что за несколько недель до ледохода биомасса фитопланктона увеличивалась на два или три порядка, достигая или превышая летнюю биомассу [68,88]. Симпагические водоросли, размножающиеся во льду или тесно с ним связанные, действуют как инокулят, повышающий первичную продуктивность фитопланктона во время вскрытия льда, и определяют направленность и интенсивность потоков материи и энергии в озерных и речных системах [26,37,47].…”

Identification of Algal Blooms in Lakes in the Baltic States Using Sentinel-2 Data and Artificial Neural Networks

“…The various toxins produced by algae and cyanobacteria can lead to allergies, increased risk of illnesses, and death [17]. Algal blooms have been reported in various locations across the world -in tropical [40], temperate regions [6,4], and since 2000s they have been often observed in the northern latitudes in the arctic lakes [21].…”