Supraglacial ecosystems: ecological role and anthropogenic impact

The supraglacial ecosystem is rich of life and it hosts many microorganisms (e.g. bacteria, algae, fungi). This biodiversity is endangered because of global warming, therefore, it is necessary to study it now to fully understand its dynamics. In this PhD thesis different themes have been faced to fill this gap and fully understand our knowledge of supraglacial ecosystems. First, we investigated bacterial communities of cryoconite holes (small depression of glaciers surface full of melting water with a fine-grained sediment on the bottom) extracting DNA from the sediment and sequencing the 16S rRNA gene through Illumina sequencing. We investigated different aspects: their temporal trend both seasonal and diel trends, and their geographic differences at both local and global scale. Results showed that these bacterial communities are extremely dynamics changing both along the same day that during the ablation season. Furthermore, these communities are different from one glacier to another even at local scale, but without a decay-by-distance pattern since other variables look more predominant in explaining their variation (e.g. lithology). On the other side this pattern is appreciable at global scale (e.g. South vs North Chile). A second part of the thesis investigated the colonization along a chronosequence of a recently deglaciated area of Forni Glacier (Italian Alps) of bacterial, fungal and plants communities. Bacterial communities have been charcterized as above reported, while fungal communities through ITS gene sequencing. Plants communities have just been described counting their occurrences. Results showed that bacteria play an important role in the early stages of the colonization, making the environment more suitable for the colonization by fungi and plants, providing more nutrients. The third part of the thesis is about the results of a work about algal blooms: bloomings of rich-pigments algae that can verify on glaciers surface decreasing significantly the albedo. Algal communities have been characterized through microscopy techniques and 18S rRNA gene sequencing. Results show that Ancylonema nordenskioeldii is the algal species mostly responsible for this phenomenon on the Morteratsch Glacier (Swiss Alps), and through remote sensing it is possible to estimate algae concentration on glaciers surface. The last part of the thesis instead, show the state of the art about what little is known so far about bacterial capabilities in degrading contaminants in supraglacial environments and about the importance of this kind of study. Indeed, glaciers act as condensers that can store different kind of contaminants. Furthermore, in the last chapter is reported an article that prove the presence of microplastics in these environments in a considerable amount. Therefore, it is necessary to study the supraglacial environment to understand the ecological role of the communities inhabiting it and to appreciate the role of bacteria in the degradation of pollutants that are deposited on glaciers by atmospheric currents.

L'ecosistema sovraglaciale è ricco di vita e ospita soprattutto numerosi microrganismi (es. batteri, alghe, funghi). A seguito del surriscaldamento globale rischiamo di perdere questa biodiversità, ed è necessario quindi studiarla ora per capire le sue dinamiche. In questa tesi di dottorato sono state quindi affrontate diverse tematiche che aiutano a colmare questo grande gap e ad ampliare la nostra conoscenza sugli ecosistemi sovraglaciali. Innanzitutto, sono state studiate le comunità batteriche delle coppette crioconitiche (piccole depressioni della superficie dei ghiacciai che contengono acqua di fusione e un sedimento a granulometria fine sul fondo) estraendo il DNA dal sedimento e sequenziando il gene che codifica per il 16S rRNA tramite sequenziamento Illumina. Di queste comunità sono stati studiati più aspetti: i loro trend temporali sia stagionali che giornalieri e le differenze tra ghiacciai sia su scala locale che globale. I risultati hanno mostrato una forte dinamicità di queste comunità batteriche che temporalmente mostrano cambiamenti sia giornalieri che stagionali. Inoltre, queste comunità differiscono anche tra ghiacciai su scala locale, senza mostrare differenze che aumentano con la distanza siccome predominano altre variabili (es. litologia). L'aumento delle differenze con la distanza è stato invece riscontrato a livello globale tra ghiacciai più distanti (es. sud vs nord del Cile). Una seconda parte ha invece investigato la colonizzazione lungo una cronosequenza di un’area recentemente deglaciata del ghiacciaio dei Forni (Alpi Italiane) da parte di comunità batteriche, fungine e da parte della vegetazione. Le comunità batteriche sono state caratterizzate come già riportato, mentre quelle fungine tramite sequenziamento del gene ITS. Le piante sono state incluse nelle analisi valutandone solo la presenza/assenza. I risultati hanno mostrato che i batteri rivestono un ruolo importante nelle prime fasi della colonizzazione, rendendo l'ambiente adatto alla colonizzazione da parte di piante e funghi, favorendone l'arricchimento in nutrienti. Una terza parte della tesi riporta i risultati di uno studio sui bloom algali: fioriture di alghe ricche di pigmenti che si verificano sui ghiacciai diminuendone notevolmente l'albedo. Le comunità algali sono state caratterizzante sia con tecniche di microscopia che tramite sequenziamento del gene che codifica per il 18S rRNA. I risultati mostrano che la principale responsabile di questo fenomeno sul ghiacciaio del Morteratsch (Alpi Svizzere) è la specie Ancylonema nordenskioeldii, e che con tecniche di telerilevamento è possibile stimarne la concentrazione sulla superficie dei ghiacciai. L'ultima parte della tesi mostra invece o stato dell'arte riguardo a quel poco che si conosce riguardo le capacità biodegradative dei batteri nell'ambiente sovraglaciale e riguardo la necessità di proseguire lungo questa strada. I ghiacciai infatti, agiscono da condensatori e sono in grado di immagazzinare diversi tipi di contaminanti. Nell'ultimo capitolo viene riportato un articolo che prova la presenza di microplastiche in questi ambienti, in quantità non indifferenti. È quindi indispensabile studiare questo ambiente e capire il ruolo che rivestono le varie comunità che lo abitano sia dal punto di vista ecologico che da un punto di vista della contaminazione, in modo tale da avere anche un quadro completo del destino a cui vanno incontro i contaminanti una volta depositati sui ghiacciai dalle correnti atmosferiche.