Present and past climate change impacts on Norwegian fjord ecosystems

Hovedmålsetningen til prosjektet PASTIME er å finne ut hvordan miljøforandringer påvirker mikroorganismer i norske fjorder. Klimaendringer og menneskelig påvirkning har innflytelse på marint liv og på fjorders økosystem. Økt temperatur, redusert oksygennivå, og is som forsvinner fra arktiske fjorder, som til nå har vært ansett som ganske upåvirkede, endres i høyt tempo. Dette har kjente og dramatiske konsekvenser for fisk og marine pattedyr. Konsekvensene for mikroorganismene, som utgjør basisen i alle marine økosystemer, vet vi imidlertid lite om. Dette til tross for at endringer i mikrobiell biodiversitet kan ha vidtrekkende konsekvenser for fjordenes helsetilstand. For å finne ut hvor sensitive mikrobielle samfunn er i forhold til pågående miljøforandringer vil vi gå tilbake i tid og undersøke hvordan de responderte på tilsvarende endringer i fortiden. Vi er spesielt interessert den vestnorske fjorden Masfjorden og den arktiske Kongsfjorden og ønsker å undersøke hvordan deres mikrobielle økosystem har forandret seg de siste århundrene – fra førindustriell til moderne tid – som respons på klimaendringer og menneskelig påvirkning. Vi vil bruke sedimentkjerner som fungerer som et lager av informasjon om tidligere tiders miljøforhold og biodiversitet. Vi bruker eldgammel (ancient) sediment DNA (sedaDNA) til å rekonstruere fortidens biodiversitet, og tradisjonelle paleo-oceanografiske analyser for å beskrive miljøforhold som fjordtemperatur, oksygennivå, isutbredelse og ferskvannsinnstrømming i samme tidsrom. Når vi kombinerer dette, får vi god og nødvendig kunnskap om hvordan marine mikrobielle samfunn har reagert på miljøendringer i forhistorisk tid. Dette er svært viktig for å forbedre prediksjoner om fremtidens økosystemendringer i norske fjorder.

Climate change and anthropogenic pressures are currently altering fjord ecosystems. These perturbations may have profound impacts on marine biodiversity and ecosystem processes. Yet, to date it remains unclear how marine communities respond to environmental change; a gap in knowledge that extends especially to microbial communities. Elucidating the effects of climate/anthropogenic change on the lower trophic level of the ecosystem is crucial as microbes play pivotal ecological roles. Any change in their diversity can have wide-ranging consequences for ecosystem health. However, so far, methods for studying changes in entire marine communities beyond the time scales of historic observations were limited. In PASTIME, we apply the innovative, cross-disciplinary approach of paleogenomics to investigate for the first time if and how microbial communities changed due to environmental changes in the western Norwegian Masfjorden and the polar Kongsfjorden in Svalbard. Specifically, we adapt sedimentary ancient DNA sequencing to high-resolution fjord sediment cores to define the baseline biodiversity over the last two to four centuries in both fjords. For environmental context, we use existing historical data and generate new data on past temperature, freshwater inflow, oxygen-content, nutrients, and sea ice. Combined, we provide the first comprehensive evaluation of fjord ecosystem changes from a pristine state (preindustrial) to a modern state in response to climate change (since ~1850s) and direct anthropogenic pressures (since ~1960s). This approach will allow us to identify natural ecosystem variability or potential (ir)reversible shifts and to document the extent of anthropogenic impact of the last decades. PASTIME is thus highly relevant for producing new knowledge on the link between climate/anthropogenic change, marine biodiversity and ecosystem processes and it contributes to an improved baseline understanding of coastal ecosystems valuable for climate adaptation.