A vast icefish breeding colony discovered in the Antarctic

A breeding colony of notothenioid icefish (Neopagetopsis ionah, Nybelin 1947) of globally unprecedented extent has been discovered in the southern Weddell Sea, Antarctica. The colony was estimated to cover at least �240 km2 of the eastern flank of the Filchner Trough, comprised of fish nests at a density of 0.26 nests per square meter, representing an estimated total of �60 million active nests and associated fish biomass of >60,000 tonnes. The majority of nests were each occupied by 1 adult fish guarding 1,735 eggs (±433 SD). Bot- tom water temperatures measured across the nesting colony were up to 2�C warmer than the surrounding bottom waters, indicating a spatial correlation between the modified Warm Deep Water (mWDW) upflow onto the Weddell Shelf and the active nesting area. Historical and concurrently collected seal movement data indicate that this concentrated fish biomass may be utilized by predators such as Weddell seals (Lep- tonychotes weddellii, Lesson 1826). Numerous degraded fish carcasses within and near the nesting colony suggest that, in death as well as life, these fish provide input for local food webs and influence local biogeo- chemical processing. To our knowledge, the area surveyed harbors the most spatially expansive continuous fish breeding colony discovered to date globally at any depth, as well as an exceptionally high Antarctic sea- floor biomass. This discovery provides support for the establishment of a regional marine protected area in the Southern Ocean under the Convention on the Conservation of Antarctic Marine Living Resources (CCAMLR) umbrella

� Iron and Manganese co-limitation:��a potential driver of Southern Ocean phytoplankton ecology

Durch photosynthetische Fixierung von anorganischem Kohlenstoff in Algenbiomasse stellt Phytoplankton organischen Kohlenstoff für den Rest des Nahrungsnetzes zur Verfügung. Dieser Kohlenstoff kann letztendlich in den tieferen Ozean exportiert werden, ein Prozess, der als biologische Kohlenstoffpumpe bekannt ist. Das Wachstum von Phytoplankton wird durch eine Vielzahl von Faktoren, wie zum Beispiel Temperatur, Licht, Weidedruck und insbesondere durch die Verfügbarkeit von Nährstoffen beeinflusst. Im Südpolarmeer (SO) bleibt die Phytoplankton-Biomasse jedoch trotz eines Überschusses an wichtigen Makronährstoffen gering. Eine wichtige Erkenntnis aus den 90er Jahren, auch bekannt als „Eisenhypothese“, deutete darauf hin, dass die Verfügbarkeit von Eisen (Fe) maßgeblich für die geringe Chlorophyllbiomasse in dieser Region verantwortlich ist. Aufgrund des Ungleichgewichts zwischen niedrigen Fe-Konzentrationen (<0.2 nmol L-1) und der schnellen biologischen Aufnahme ist Fe deshalb das maßgeblich limitierende Element für die Primärproduktion. Zusätzlich wurden in mehreren Sektoren im Südpolarmeer Mangan (Mn)-Konzentrationen in ähnlichen Größenordnungen wie Fe-Konzentrationen gemessen und angesichts der Tatsache, dass Mn ein wesentlicher Bestandteil des Sauerstoffproduzierenden Komplexes während der Photosynthese ist, wurde ebenfalls spekuliert, dass Mn zusätzlich als limitierender Faktor der Primärproduktivität fungiert. In der Tat haben mehrere Inkubationsexperimente mit natürlichen Phytoplanktongemeinschaften gezeigt, dass Mn alleinig oder in Verbindung mit Fe als limitierender Faktor die Biomasse begrenzt. Diese Experimente untersuchten jedoch die gesamte Phytoplanktongemeinschaft und unterschieden nicht, wie sich die Wirkung der FeMn-Ko-limitierung auf die Artenzusammensetzung innerhalb der Gemeinschaft auswirkt. Angesichts der Bedeutung der taxonomischen Zusammensetzung von Phytoplanktongemeinschaften auf die Sinkgeschwindigkeit von Phytoplanktonaggregaten stellt sich die weiterführende Frage, wie diese durch die Verfügbarkeit von Fe und Mn beeinflusst wird. Um diese Wissenslücke zu schließen, untersucht diese Dissertation den Einfluss von Mn, zusätzlich zu Fe, auf die Zusammensetzung von Phytoplanktongemeinschaften und sich daraus ergebende Implikationen für die Effizienz der biologischen Kohlenstoffpumpe in dem SO. Durch die Durchführung von zwei FeMn-Inkubationsexperimenten mit natürlichen Phytoplanktongemeinschaften der Drake-Passage zeigte Publikation I, dass obwohl beide Gemeinschaften Fe-limitiert waren, verschiedene Gruppen ebenfalls mit positivem Wachstum auf FeMn-Zugabe reagierten. Die dominante Kieselalge Fragilariopsis sp. und eine Untergruppe von Picoeukaryoten an zwei unabhängigen Standorten erreichte ausschließlich maximale Wachstumsraten, wenn sowohl Fe, als auch Mn zugegeben wurden. In Publikation I wird diskutiert, wie sich verschiedene artspezifische Fe- und Mn-Anforderungen, auf der Gemeinschaftsebene, auf die Gemeinschaftsstruktur auswirken. Publikation II zielte darauf ab artspezifische Fe- und Mn-Anforderungen zu bestimmen. Durch die Kombination von Modellierung und einem Laborinkubationsexperiment mit Phaeocystis antarctica enthüllte die zweite Studie verschiedene zelluläre Mechanismen, die es P. antarctica ermöglicht mit niedrigen Fe- und Mn-Konzentrationen umzugehen. Nach Fe-Verarmung zeigte die einzellige P. antarctica typische Anzeichen einer Fe-Limitation in Form einer Verminderung in Wachstum, POC-Produktion und photosynthetischer Effizienz. Es wurde jedoch festgestellt, dass eine ausschließliche Verarmung von Mn das Wachstum oder die POC-Produktion von P. antarctica aufgrund effektiver photophysiologischer Anpassungen nicht beeinflusste, im Kontrast zu zuvor veröffentlichten Ergebnissen mit einer Kieselalge aus dem SO. Angesichts der in Veröffentlichung I und II gesammelten Ergebnisse und der Bedeutung der Artenzusammensetzung auf die Abschätzung des organischen Kohlenstoffflusses wurde ein neuartiges Experiment in Publikation III durchgeführt, um das Wachstum und die Aggregationsfähigkeit einer natürlichen Lebensgemeinschaft im Weddellmeer unter veränderten Fe- und Mn-Konzentrationen zu untersuchen. Publikation III zeigte dadurch, dass die koloniale Phaeocystis antarctica maximale Wachstumsraten nur bei gleichzeitiger Zugabe von Fe und Mn erreichte. Außerdem führte die relative Erhöhung des Anteils von P. antarctica in einer ansonsten von Kieselalgen dominierten Gemeinschaft zu einem Anstieg der gesamten Primärproduktion, welcher sich durch größere und stärker kohlenstoffangereicherte Aggregate äußerte. Aufgrund der Klebrigkeit, die durch die Schleimexkretion von P. antarctica verursacht wird, in Verbindung mit der stark verkieselten Algengemeinschaft, wiesen die Aggregate höhere Konzentrationen von partikulärem organischem Kohlenstoff auf und erhöhten den Kohlenstoffexport um das Dreifache. Letztendlich offenbart diese Dissertation, dass Mn neben Fe einen wichtigen Einfluss auf die Strukturierung und Zusammensetzung der Phytoplanktongemeinschaft im SO ausübt, was weiterhin einen Schlüsselfaktor für die genaue Abschätzung der Effizienz der biologischen Kohlenstoffpumpe darstellt

The physiological response of an Antarctic key phytoplankton species to low iron and manganese concentrations

AbstractIron (Fe) and manganese (Mn) availability and the divergent requirements of phytoplankton species were recently shown to be potential important drivers of Southern Ocean community composition. Knowledge about Antarctic phytoplankton species requirements for Fe and Mn remains, however, scarce. By performing laboratory experiments and additional calculations of the photosynthetic electron transport, we investigated the response of the ecologically important species Phaeocystis antarctica under a combination of different Fe and Mn concentrations. Fe deprivation alone provoked typical physiological characteristics of Fe limitation in P. antarctica (e.g., lowered growth and photosynthetic efficiency). In comparison, under Mn deprivation alone, the growth and carbon production of P. antarctica were not impacted. Its tolerance to cope with low Mn concentrations resulted from an efficient photoacclimation strategy, including a higher number of active photosystems II through which fewer electrons were transported. This strategy allowed us to maintain similar high growth and carbon production rates as FeMn‐enriched cells. Due to its low Mn requirement, P. antarctica performed physiologically as Fe‐deprived cells under the combined depletion of Fe and Mn. Hence, our study reveals that different from other Southern Ocean phytoplankton species, P. antarctica possesses a high capacity to cope with natural low Mn concentrations, which can facilitate its dominance over others, potentially explaining its ecological success across the Southern Ocean.Deutsche Forschungsgemeinschaft http://dx.doi.org/10.13039/501100001659https://doi.org/10.1594/PANGAEA.94446

The Southern Ocean key species Phaeocystis antarctica is well adapted to cope with low iron and manganese concentrations.

An Fe-Mn bottle addition experiment was conducted in the laboratory to investigate the importance of manganese (Mn) next to iron (Fe) for growth, photophysiological adaptation and trace metal requirements of a specific Southern Ocean phytoplankton: Phaeocystis antarctica. The depleted treatment (-FeMn) was a natural Antarctic sea water (sampled during PS112 in 2018) without any trace metals addition while the other three treatments were enriched with either FeCl3 alone (2.8 nM; -Mn treatment) or MnCl2 alone (2.8 nM; -Fe treatment) or both trace metals together (Control treatment). All treatments were done in triplicate 4L PC bottles. All incubation bottles were maintained at 100 μmol photons m-2 s-1 under a 16:8 (light:dark) hour cycle at 1 ̊C. After on average 10 days, samples for cell counts, photophysiology, particulate organic carbon, pigments, trace metals chemistry and trace metals intracelluar quotas were taken in order to detect how FeMn low supply effect this specie

Concentrations of total dissolved iron and dissolved manganese measured for the four different mediums used for the experiment without Phaeocystis antarctica cells

Total dissolved Fe (dFe) and Mn (dMn) concentrations were determined in the culture medium (without cells). To this end, 100 mL of seawater were filtered through HCl-cleaned polycarbonate filters (0.2 μm pore size, EMD Millipore, Darmstadt, Germany) using a TMC filtration system and the filtrate collected in a HCl-cleaned polyethylene bottle, which was stored triple bagged at 2 ̊C for analysis. Concentrations of total dFe and dMn were determined on a SeaFast system (Elemental Scientific, Omaha, NE, USA; (Hathorne et al., 2012; Rapp et al., 2017)) coupled to an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS, Element2, Thermo Fisher Scientific, resolution of 2000)

Photophysiolgical parameters of Phaeocystis antarctica after exposure to different Fe and Mn availabilities at the end of the experiment

Chlorophyll a fluorescence measurements were performed using a Fast Repetition Rate fluorometer (FRRf) coupled to a FastAct Laboratory system (FastOcean PTX, both from Chelsea Technologies Group at the start and the end of the experiment. The excitation wavelengths of the fluorometer's LEDs were 450 nm, 530 nm and 624 nm and the light intensity was automatically adjusted between 0.66–1.2 x 1022 photons m-2 s-1. The parameters were determined after 10 min of dark acclimation

The physiological response of an Antarctic key phytoplankton species to low iron and manganese concentrations

Iron (Fe) and manganese (Mn) availability and the divergent requirements of phytoplankton species were recently shown to be potential important drivers of Southern Ocean community composition. Knowledge about Antarctic phytoplankton species requirements for Fe and Mn remains, however, scarce. By performing laboratory experiments and additional calculations of the photosynthetic electron transport, we investigated the response of the ecologically important species Phaeocystis antarctica under a combination of different Fe and Mn concentrations. Fe deprivation alone provoked typical physiological characteristics of Fe limitation in P. antarctica (e.g., lowered growth and photosynthetic efficiency). In comparison, under Mn deprivation alone, the growth and carbon production of P. antarctica were not impacted. Its tolerance to cope with low Mn concentrations resulted from an efficient photoacclimation strategy, including a higher number of active photosystems II through which fewer electrons were transported. This strategy allowed us to maintain similar high growth and carbon production rates as FeMn-enriched cells. Due to its low Mn requirement, P. antarctica performed physiologically as Fe-deprived cells under the combined depletion of Fe and Mn. Hence, our study reveals that different from other Southern Ocean phytoplankton species, P. antarctica possesses a high capacity to cope with natural low Mn concentrations, which can facilitate its dominance over others, potentially explaining its ecological success across the Southern Ocean