Ecological and evolutionary response of phytoplankton to rising CO2

• Main Author: Low-Décarie, Etienne
• Other Authors: Graham Bell (Supervisor1)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2014
• Subjects: Biology - Ecology
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=121204

Atmospheric CO2 concentration has risen to a landmark high of 400 ppm, a level not seen on earth for the past million years, and is expected to continue to increase over the course of this century. Besides its indirect effect on climate, this change will directly affect all photosynthetic organisms, including phytoplankton, through an increased availability of carbon. Through laboratory and field experiments, I investigated the ecological and evolutionary response of phytoplankton communities to rising atmospheric CO2. The rise in atmospheric CO2 is occurring at the same time as increases in the availability of a number of nutrients. In a series of mesocosm experiments in a lake, I found that elevated CO2 can act synergistically with increased nutrient availability to increase phytoplankton growth. Elevated CO2 could thus exacerbate the effect of traditional drivers of eutrophication. Major taxonomic groups of phytoplankton differ in their ability to take up and utilize CO2. In an experiment with six species of phytoplankton belonging to three major taxa (cyanobacteria, diatoms and chlorophytes), I found that these physiological differences lead to predictable changes in community dynamics. Chlorophytes, the type most limited by current CO2 levels, benefit from rising CO2 at the expense of cyanobacteria. The applicability of these findings to natural systems was confirmed in the series of mesocosm experiments. In these experiments, the increase in the frequency of chlorophytes with rising CO2 was observed at both high and low nutrient levels. The increased growth rate with the addition of nutrients and CO2, the physiological differences between major groups of phytoplankton and the associated changes in community compositions may be altered by evolutionary change after sufficiently long exposure of these organisms to elevated CO2. I tested for the probability of evolutionary change in response to elevated CO2 by exposing the previous six species and Chlamydomonas reinhardtii to elevated CO2 for over 750 generations. I found no evidence of evolutionary change, which indicates that predictions of the ecological impact of rising CO2 on phytoplankton based on the current physiology of phytoplankton will remain valid even after hundreds of generations. As phytoplankton are the base of most aquatic food webs and important drivers of the global carbon cycle, this work provides a crucial element for predicting the future state of aquatic systems and global geochemistry undergoing global change. === La concentration de CO2 dans l'atmosphère a atteint un niveau record de 400 ppm. Un niveau si élevé n'a pas été atteint lors des derniers millions d'années. Les prédictions actuelles indiquent que la concentration atmosphérique de CO2 va continuer à augmenter tout au long de ce siècle. J'ai utilisé des expériences de laboratoire et des expériences de terrain pour étudier la réponse écologique et évolutive du phytoplancton au changement de concentration de CO2. L'augmentation de la disponibilité de plusieurs autres nutriments se déroule en même temps que l'augmentation de CO2 dans l'atmosphère. Dans une série d'expériences utilisant des mésocosmes en milieu naturel, j'ai constaté que la croissance du phytoplancton augmentait plus avec l'addition simultanée de CO2 et de nutriments qu'avec l'addition uniquement de nutriments. L'augmentation de CO2 atmosphérique pourrait donc exacerber les problèmes d'eutrophisation des milieux aquatiques. Les regroupements taxonomiques importants de phytoplanctons se distinguent par leur capacité d'absorber et d'utiliser le CO2. Dans une expérience de laboratoire, ces différences physiologiques entre six espèces de phytoplancton appartenant à trois (des cyanobactéries, des diatomées et des chlorophytes) ont pour conséquences un changement prévisible des dynamiques écologiques au sein de la communauté de phytoplanctons. La proportion dans la communauté de chlorophytes, le groupe dont la croissance est la plus limitée par les niveaux présents de CO2, augmente avec l'augmentation de CO2, et ce, aux dépens de la proportion de cyanobactéries. Les changements écologiques au niveau de l'augmentation du taux de croissance et les changements des proportions de différents types dans les communautés de phytoplanctons pourraient être altérés par des changements évolutifs lors de l'exposition prolongée du phytoplancton à une concentration de CO2 élevée. J'ai évalué la probabilité d'une réponse évolutive causée par une concentration de CO2 élevée en exposant les six espèces de l'expérience précédente et Chlamydomonas reinhardtii à un niveau de CO2 élevé pour plus de 750 générations. Je n'ai trouvé aucune preuve de changement évolutif, ce qui indique que les prédictions basées sur les caractéristiques physiologiques actuelles des phytoplanctons demeureront valides pour plusieurs centaines de générations. Puisque les phytoplanctons sont à la base de toutes les chaines alimentaires aquatiques importantes et des contributeurs importants aux différents cycles géochimiques planétaires, les recherches présentées dans cette thèse fournissent un élément crucial pour la prédiction de l'état futur des milieux aquatiques et de la géochimie mondiale.