ERA-netLAC Cave ice microbiom: metabolic diversity and activity in response to climate dynamics and anthropogenic pollution CAVICE (DCC-0178

Det er registrert mer enn 200 grotter i Rana, og en av disse grottene er Nordens største naturlige fjellhall, Svarthamarhola. Denne grotten inneholder blant annet en isbre som er datert til å være mer enn 750 år gammel. Slike is-grotter representerer svært preserverte og relativ ueksponerte habitater med et unikt arkiv for å studere påvirkningene av klimaendringer og menneskelige aktiviteter på det livet som finnes inni isbreen. Det er ikke mer enn 10-15 år siden man bekreftet at slike glasiale systemer kunne være levelige habitater for mikroorganismer. Is dekker i dag omlag 10 % av jordens overflate. De fleste isbreene er under stort press fra de menneskeskapte klimaendringene, og er i ferd med å smelte bort, før vi i det hele tatt får kunnskap om hvilke organismer som finnes der, hvem som er i stand til å leve der og hvilke økosystemprosesser de bidrar til. Vi vet per i dag svært lite om de isboende-mikrobene og også hvordan de vil reagere på den temperaturøkningen vi opplever i disse dager spesielt på den nordlige breddegrad. Dette er et ERANet-Lac prosjekt basert på et samarbeider mellom forskere fra Romania, Chile og Argentina. Gjennom dette prosjektet var målet å studere biodiversiteten i is-habitat hentet fra forskjellige geografiske områder og gjøre komparative biogeografiske analyser av resultatene. Mer spesifikt ønsket vi å studere hvor stor andel av mikrober vi finner i slike isbreer, om de er aktive inni isen eller om de kun forekommer i en slags dvaletilstand. Vi ønsket å kartlegge det mikrobielle samfunnet langs en tidsserie (Chrono sequence), og på denne måten representerer slike is-grotter et svært godt modellsystem. En slik tidsserie vil derfor kunne gi oss en indikasjon om påvirkningen av klimaendringer og miljøforurensninger. Svarthamarhola omgir en stabil isblokk inni en karsthule i Rana. Denne grotten har 2 innganger. Det er en dynamisk is-grotte, og representerer den største fjellhallen i Norden. Karbondateringer (14C) av planterester ved basis av isen indikerer at isen startet å akkumulere rundt år 1200. I oktober 2016 gjennomførte vi en feltekspedisjon til Svarthamarhola med 6 forskere fra Universitetet i Bergen og 3 forskere fra våre Rumenske samarbeidspartnere. Feltarbeidet inni grotten tok 4 dager å gjennomføre. Vi utførte detaljerte målinger av isen og definerte isens distinkte tidsavgrensede lag, da hele isens tidssekvens er eksponert og dermed tilgjengelig. Store deler av isen var lett å komme til og prøver kunne tas direkte fra bakkenivå. Noen av de yngste is-fraksjonene som finnes på toppen av breen var derimot mer utfordrende og herfra måtte vi rappellere ned fra taket i grotten og prøvene måtte tas hengende ned fra grottetaket. Mer enn 500 prøver ble samlet for å lage en detaljert tidsserie for isotopanalyser slik at vi kan rekonstruere tidsskala med klimaendringene. Vi valgte videre å gjøre inngående dybdeanalyser på 7 punkter langs denne tidsskalaen. Fra disse 7 punktene tok vi prøver for Karbondateringsanalyser, pollenanalyser (rekonstruksjon av vegetasjonen), samt DNA og RNA analyser av det mikrobielle samfunnet. Pollenanalysene viste en dominans av trær (bjørk og furu), buskvekster, urter og bregner. Det ble isolert DNA og RNA fra alle islagene og prøvene har vært studert ved metagenomanalyser med påfølgende sekvensering. De mikrobielle samfunnsanalyser viser en suksesjon langs gradienten, og det kunne også påvises noen forskjeller mellom DNA profilene (indikasjon om hvilke organismer som er tilstede i isen) og RNA profilene (indikasjon om hvilke organismer som er aktive i isen). Dette gir oss en pekepinn på hvilke organismer som trives og vokser under slike ekstreme og ugjestmilde forhold hvor det er både kaldt og mørkt over lang tid. Resultatene vi har oppnådd vil bli sammenlignet med resultatene som er hentet fra Scarisoara grotten i Romania, og ellers andre karakterisert is-systemer og hvor data finnes tilgjengelig i databaser. Resultatene vil bli videre analysert for å få innsikt om det mikrobielle samfunnet, spesielt da med fokus på hvem som er der og hvilke prosesser de utfører i slike ekstreme miljø uten tilgang på sollysets energi. Dette er viktig for å forstå effekten på hele jordens økosystem, spesielt med tanke på den globalt økende temperaturen på jordkloden og konsekvensene hvis slike glasiale systemer smelter og hvilke konsekvenser dette har for de globale økosystemprosessene hvor mikrobene er de viktigste aktørene. Det ble isolert bakterier fra isbreen i Svarthammarholen, disse ble undersøkt for evnen til å syntetisere nanopartikler som kan ha et stort bioteknologisk potensiale, og evnen til å skille ut sekundærmetabolitter som kan ha et stort potensiale innen kreftmedisin ved at de produserer hemmende stoffer for kreftcellelinjer og deres evne til å produsere antibiotiske stoffer. Foreløpige resultater tyder på at vi har isolert nye tidligere ubeskrevne bakterier med et stort potensial for produksjon av krefthemmende stoffer.

The outcome of the project was to characterize the diversity and metabolism of total and active microcosm from cave ice, and evaluate past, present and future consequences of climate driven ice retreat and human impact on biogeochemical and ecological processes. This was done by studying temporal and spatial changes in ecosystems present in ice and glacier caves from various geographical locations, and to establish a strategic framework for multidisciplinary research in ice ecosystems, including investigation of the applicative potential of stage ice microcosm in nanotechnology development. Specific tasks of the project were i) characterization of the functional diversity and activity of a caveice microbiom using metagenomic and high throughput Sequencing, ii) assessment of the impact of climate dynamics and anthropogenic pollution on microbial communities preserved in this particular glacier environment, and iii) isolation of novel organisms and identify cold adapted nanoparticles.

Glacial environments including Polar regions, frozen lakes, mountain glaciers, and upper atmosphere, are currently the focus of intense research due to their recognized vulnerability to climate change and the increased interest in psychrophilic microorganisms due to their great biotechnological potential. However, there is only limited information available on ice microbiota from ice caves. These highly preserved and relatively unexposed ice environments constitute archives for studying the impact of climate and anthropogenic pollution on the diversity of the ice embedded microbial communities as well as on their metabolic activity. Our proposal represents the first investigation of metabolic diversity and activity of microbial communities from a cave ice environment, to reveal the identities and functions of the key players in this ecosystem, using metagenomic and metatranscriptomic analyses. The project emphasis on a comparative study of total and active microbial communities from ice caves of different climate and pollution exposures, in order to understand the microbial diversity and metabolism in this preserved environment, and to establish a chronosequence model reflecting the impact of both climate and environmental pollution on cave ice microcosm. The selected ecosystems represent perennial ice blocks harbored in limestone caves located in Romania (Scarisoara Ice Cave), and Norway (Svarthamar Ice Cave), and in glacier caves located in Argentina (Viedma Glacier cave) and Chile (Mylodon cave, MY). The results of this proposal will contribute not only to unraveling the microbial activity of an unstudied type of habitat, but also to investigate the effect of climate variations and environment pollution on such natural monuments leading to better management of the sites and to their more efficient protection and conservation.