Blue Ice Oases of Microbial Life on the Antarctic Ice Sheet

Det østlige Antarktis-isdekket er jordens største ferskvannsøkosystem, som inneholder bakterier, alger, virus og andre mikrober som transporteres dit med vind og distribueres av isstrømmer. Vi studerer hvordan mikroorganismer overlever i isen ved å hente prøver fra gammel breis (mange tusen år gamle) eksponert i overflaten nær den norske forskningsstasjonen Troll i Dronning Maud Land, Antarktis. Under en vellykket feltkampanje på Troll fra desember 2019 til januar 2020, samlet vi inn seks iskjerner for å bestemme hvilke mikrober som blir aktive når det er tilstrekkelig energi og vann til å tillate biologisk produksjon. Vi fant at disse forholdene ble oppfylt i den øverste delen av iskjernene, siden solenergi kan trenge inn i den vindpolerte blåisen og forårsake smelting på omtrent 0,5 meters dyp i løpet av store deler av sommeren. I de fleste områder reduseres lysinntrengningen sterkt av små luftbobler i isen nær overflaten. Derfor har vi målt antall og størrelse på disse boblene for å modellere hvordan lyset sprer seg i denne viktige sonen. Dette arbeidet ble kombinert med kartlegging av andre antarktiske blåisområder for å forstå den regionale fordelingen av smelting nær overflaten og biologisk produksjon. Omtrent 1 % av isdekket støtter gunstige forhold for å utvikle blåis-økosystemer. Vi har funnet ut at steinpartikler er avgjørende for å la mikroorganismer leve i den blå isen. Deres mørke farge absorberer mye mer av solens energi enn boblene i isen, noe som fører til smeltevannstrøm og akkumulering av partiklene i smeltebassenger kjent som "kryokonitthull". Kartlegging viste at bergartpartiklene er utledet via to prosesser: støvavsetning ovenfra, og erosjon av berggrunn nær rygger nedenfra. Vi har funnet ut at disse hullene er langt viktigere hotspots for næringsberikelse og biologiske prosesser enn den rene isen, selv om vann er tilstede. Dette er ganske annerledes enn situasjonen vi fant på Svalbard, hvor isen inneholder mange flere levende mikroorganismer. Videre, selv i kryokonitthullene, ser den biologiske produksjonsraten ut til å være svært lav sammenlignet med både Svalbard og andre kystnære isbreer i Antarktis. Ganske distinkte nærings- og kjemi forhold utvikler seg i hullene, inkludert høye nitrat-, fosfat- og silikakonsentrasjoner, i motsetning til forhold i snø og is i nærheten. Disse forholdene gjenspeiler mest sannsynlig effektiv resirkulering av næringsstoffer fra et samfunn dominert av bakterier, samt påvisning av næringsstoffbidrag fra steinpartiklene. Vi tror dette skyldes at svært få mikrober blir importert fra andre økosystemer ved iskanten. Den høytliggende posisjonen og store avstanden til kysten gjør derfor Troll et ideelt sted for å undersøke grensene for liv på jorden. BIOICE-teamet utfører detaljert biologisk analyse av mikroorganismene i snø, is og smeltevannet samt sedimentet i kryokonitthullene. Resultater fra de molekylære (DNA) analysene fant svært få påvisbare celler i den rene isen. I sedimentet fra hullene har vi funnet ut at Cyanobacteria er dominerende, tett fulgt av Actinobacteriota, og deretter Proteobacteria og Bacteroidota. Dette er overraskende mangfoldig, spesielt sammenlignet med den rene isbreen, der ingen DNA kunne gjenvinnes på en god måte. Disse samfunnene sammenlignes nå med lignende prøver fra Svalbard. Vi forventer å finne ut at kryokonitthullene er viktige fordi steinpartiklene gir viktige næringsstoffer og også et langtlevende, stabilt habitat som overlever fra en sommer til en annen.

Almost half of the freshwater bacterial biomass on Earth is stored in the East Antarctic Ice Sheet (EAIS) and ice core studies have shown us that a proportion of it remains viable even after storage for more than 1 million years. However, we have yet to establish what happens to these cells when they emerge at the ice sheet margin and are potentially revived by melt. For example, in the wind polished blue ice areas around the periphery of Antarctica, we have shown that sub-surface melting initiates the southernmost occurrence of photosynthesis on Earth. This study will therefore examine the physical, chemical and biological conditions within these oases and assess the contributions made to ecosystem functioning by older microorganisms transported by ice flow over millennia, and younger microorganisms derived from recent atmospheric deposition. Our project requires that we tackle R&D challenges linked to the sterile analysis of dilute glacier ice, snow and meltwater from extremely remote locations. Therefore, we will use our logistically advantagous location in Svalbard to practise all workflow routines prior to a substantial Antarctic campaign at Troll Station in 2018/19. Use of cores already collected by the Norwegian Polarinstitutt’s Antarctic traverse during the International Polar year in 2007/08 will add significant value to both our project and the legacy of the IPY. Our first exploration of the surface microbiology of the EAIS from its continental interior to the coast is of direct, strategic relevance to the Norwegian Polarintitutt’s mandate from government, and will yield physical, chemical and biological data of great utility to future research in this region. Our collections of microorganisms and genetic information will also be a vital resource for groups involved in the management of Antarctica biodiversity, including the Scientific Committee on Antarctic Research (SCAR) and the Commission for the Conservation of Antarctic Marine Living Resources.