Seamounts are oases of life in the deep sea. These towering rocky features provide substrates for diverse animals and serve as conduits for deep ocean water to venture in and out of the crust. Water-rock reactions at and below the seamount are also key to microbial magic in the deep ocean, creating chemical compounds that support a diverse microbial biosphere in these globally distributed crustal ocean habitats.
Microbes are single-celled organisms belonging to two domains of life, the Archaea and Bacteria, and, with the exception of viruses, represent the tiniest life forms on our planet (Figure 1). The oceans are estimated to hold many times more microbial cells than there are stars in the observable Universe! Microbes also provide critical ecosystem services that sustain deep-sea food webs, nutrient and element recycling, carbon sequestration, and symbiotic relationships with diverse animals.
Despite their potentially crucial roles in the overall health of deep-sea ecosystems, microbes at seamounts remain largely understudied. Questions we want to answer include: Who are they? How do they harness energy from the fluids and rocks that surround them? What are their major activities and evolutionary trajectories? How do they contribute to carbon and element cycling via ecosystem services that influence both local biological communities and the broader ocean system?
On this cruise, our goal is to answer these questions and determine the linkages between fluid-rock alteration, microbial processes, and animals inhabiting seamounts. Specifically, we aim to identify key ecosystem services provided by microbial life in seamounts, including how fluid-rock-microbial processes influence animals of the deep sea. Our motivation for this work stems from seamount habitats being a potential target for deep-sea mining activity and a desire to work with our Costa Rican colleagues to more thoroughly understand the complex and amazing ecosystems of their waters.
To examine the microbial community in the warm fluids, we will use a custom “SUPR” sampling instrument mounted on the ROV (Figure 2) to collect both unfiltered water for shipboard manipulations as well as samples that will be filtered on the seafloor to concentrate microbial biomass. The filters will be “fixed” on the seafloor, using a super salty solution to basically stop all microbial activity and preserve the metabolisms of the microbes at the point of sampling. Once shipboard, these filters will be frozen, and then back on land, they will be used for microbial nucleic acid (DNA and RNA) sequencing to link actively metabolizing microbial communities and their genetic and functional repertoire (who are they and what are they doing?). Shipboard, fluids will be used to measure geochemical parameters and quantify both microbial biomass and their activity.
Microbes have evolved many pathways to build biomass from organic carbon (heterotrophy) and inorganic carbon (autotrophy). We will use stable carbon isotopes to run incubation experiments aboard the Falkor(too) to quantify these pathways and compare results to identical experiments run on nearby deep background seawater to determine if the warm fluids have higher rates of microbial activity at the seamounts, thus providing critical ecosystem services to the local community (basically, providing new food).
To explore seamount microbe-rock interactions, in June we deployed microbial colonization experiments at sites of fluid venting. Microbes are notorious biological “catalysts”. That is: they speed up the otherwise slow water-rock chemistry in the ocean crust. This means that water-rock interactions in the crust are strongly influenced by rock-attached microorganisms and their metabolisms. Our experiments consist of chambers of sterilized substrates delivered via ROV SuBastian to the ocean floor (Figure 3). These substrates include rocks collected from this part of the ocean, manganese carbonate minerals, and synthetic materials such as mild steel and plastic beads.
The premise for these experiments is as follows: place the substates on seamounts where warm fluids emerge and see what microbes, sourced from the crust below in the venting fluids as well as the surrounding deep water, colonize which substrates. After sequencing microbial DNA from each substrate type, we can ask basic ecological questions involving microbial diversity, community structure, and emergent habitat-specific functions that the metabolisms of microbes physically attached to rocks may provide to the overall health of the seamount. These benefits may be limited to nutrient cycling (for example, those involving carbon- and nitrogen-cycling) or may extend to rock-based enrichment of microbes involved in animal-microbe symbioses; at this point, we just don’t know. Recovery of these on-going seafloor experiments, as well as collecting the nearby fluids and animals, all targeting microbial magic in the deep, is a major objective of our second visit to the Costa Rican seamounts on this cruise.
Together, our work will inform the magnitude and type of microbial ecosystem services at seamounts, the relation of species patterns to low temperature hydrothermal fluid circulation and rock minerals, the possible interactions between macrofaunal and microbial communities, and the magnitude and type of microbial ecosystem services at seamounts.
Magia Microbiana en las Profundidades
Las montañas submarinas son oasis de vida en el mar profundo. Estas imponentes características rocosas proveen sustratos para una diversidad de animales y sirven como conductos para que el agua del océano profundo entre y salga de la corteza. Las reacciones agua-roca debajo de las montañas submarinas son clave para la magia microbiana en el océano profundo, creando compuestos químicos que sustentan una diversa biosfera microbiana en estos hábitats oceánicos distribuidos globalmente en la corteza.
Los microbios son organismos unicelulares pertenecientes a dos dominios de la vida, Archaea y Bacteria, y exceptuando los virus, representan las formas de vida más diminutas en nuestro planeta (Figura 1). ¡Se estima que los océanos contienen muchas veces más células microbianas que estrellas en el Universo observable! Los microbios también proveen servicios ecosistémicos críticos que sostienen las redes tróficas del mar profundo, el reciclaje de nutrientes y elementos, la captura de carbono y relaciones simbióticas con diversos animales.
A pesar de sus roles potencialmente cruciales en la salud general de los ecosistemas del mar profundo, los microbios en las montañas submarinas siguen siendo en su mayoría poco estudiados. Las preguntas que queremos responder incluyen: ¿Quiénes son? ¿Cómo aprovechan la energía de los fluidos y rocas que los rodean? ¿Cuáles son sus principales actividades y trayectorias evolutivas? ¿Cómo contribuyen al ciclo del carbono y elementos a través de servicios ecosistémicos que influyen tanto en las comunidades biológicas locales como en el sistema oceánico más amplio?
En este crucero, nuestro objetivo es responder a estas preguntas y determinar los vínculos entre la alteración fluido-roca, los procesos microbianos y los animales que habitan las montañas submarinas. Específicamente, buscamos identificar servicios ecosistémicos clave proporcionados por la vida microbiana en las montañas submarinas, incluyendo cómo los procesos fluido-roca-microbianos influyen en los animales del mar profundo. Tenemos dos motivaciones principales que nos llevan a hacer este trabajo: i) los hábitats de las montañas submarinas son un objetivo potencial para la actividad minera en el mar profundo y ii) el deseo de colaborar con nuestros colegas costarricenses para comprender más a fondo los complejos y sorprendentes ecosistemas de sus aguas.
Para examinar la comunidad microbiana en los fluidos cálidos, utilizaremos un instrumento de muestreo personalizado “SUPR” montado en el ROV (Figura 2) para recolectar agua sin filtrar para manipulaciones a bordo del barco, así como muestras que serán filtradas en el lecho marino para concentrar la biomasa microbiana. Los filtros serán “fijados” en el lecho marino, usando una solución muy salada para básicamente detener toda actividad microbiana y preservar los metabolismos de los microbios en el punto de muestreo. Una vez a bordo del barco, estos filtros serán congelados y posteriormente en tierra firme se utilizarán para secuenciar ácidos nucleicos microbianos (ADN y ARN) para relacionar comunidades microbianas en actividad metabólica y su repertorio genético y funcional (¿quiénes son y qué están haciendo?). A bordo del barco, los fluidos se utilizarán para medir parámetros geoquímicos y cuantificar tanto la biomasa microbiana como su actividad.
Los microbios han desarrollado muchas vías para construir biomasa a partir de carbono orgánico (heterotrofia) y carbono inorgánico (autotrofia). Utilizaremos isótopos estables para realizar experimentos de incubación a bordo del Falkor para cuantificar estos procesos y comparar los resultados con experimentos idénticos realizados en aguas profundas cercanas de fondo para determinar si los fluidos cálidos tienen tasas de actividad más altas en las montañas submarinas, proporcionando así servicios ecosistémicos críticos a la comunidad local.
Para explorar las interacciones microbio-roca en las montañas submarinas, en junio desplegamos experimentos de colonización microbiana en sitios de emisión de fluidos. Los microbios son “catalizadores” biológicos notorios, es decir, aceleran la, de otro modo lenta, química agua-roca en la corteza oceánica. Esto significa que las interacciones agua-roca en la corteza están fuertemente influenciadas por microorganismos adheridos a la roca y sus metabolismos. Nuestros experimentos consisten en cámaras de sustratos esterilizados entregados mediante el ROV SuBastian al fondo marino (Figura 3). Estos sustratos incluyen rocas nativas recolectadas de esta parte del océano, minerales de carbonato de manganeso y materiales sintéticos como acero suave y cuentas de plástico.
La premisa para estos experimentos es la siguiente: colocar los sustratos en montañas submarinas donde emergen fluidos cálidos y observar qué microbios, provenientes de la corteza debajo en los fluidos de ventilación así como del agua profunda circundante, colonizan qué sustratos. Después de secuenciar el ADN microbiano de cada tipo de sustrato, podemos plantear preguntas ecológicas básicas sobre diversidad microbiana, estructura de la comunidad y funciones emergentes que los metabolismos de microbios físicamente adheridos a las rocas podrían brindar a la salud general de la montaña submarina. Estos beneficios pueden estar limitados al ciclo de nutrientes, por ejemplo, aquellos relacionados con el ciclo del carbono y nitrógeno, o podrían extenderse al enriquecimiento basado en rocas de microbios involucrados en simbiosis animal-microbio; en este punto, simplemente no lo sabemos. La recuperación de estos experimentos en curso en el lecho marino, así como la recolección de los fluidos y animales cercanos, trabajo dirigido a la exploración de la magia microbiana en las profundidades, es un objetivo principal de nuestra segunda visita a los montes submarinos costarricenses en este crucero.
En conjunto, nuestro trabajo informará sobre la magnitud y tipo de servicios ecosistémicos microbianos en los montes submarinos, la relación de los patrones de especies con la circulación de fluidos hidrotermales de baja temperatura y los minerales de las rocas, las posibles interacciones entre comunidades macrofaunales y microbianas, y la magnitud y tipo de servicios ecosistémicos microbianos en los montes submarinos.
Figura 1. Imagen de microscopía de una bacteria marina profunda aislada de una montaña submarina. Crédito de la imagen: Julie Huber.
Figura 2. Julie Huber y la ingeniera de WHOI, Amanda Sutherland, trabajando en la integración del muestreador de fluidos SUPR en el ROV SuBastian.
Figura 3. Experimento de colonización desplegado en los fluidos de ventilación alrededor de una guardería de pulpos ubicada en el segmento sur del afloramiento Dorado.
