Unique Habitat for Benthic Foraminifera in Subtidal Blue Holes on Carbonate Platforms

Dissolution of carbonate platforms, like The Bahamas, throughout Quaternary sea-level oscillations have created mature karst landscapes that can include sinkholes and off-shore blue holes. These karst features are flooded by saline oceanic waters and meteoric-influenced groundwaters, which creates unique groundwater environments and ecosystems. Little is known about the modern benthic meiofauna, like foraminifera, in these environments or how internal hydrographic characteristics of salinity, dissolved oxygen, or pH may influence benthic habitat viability. Here we compare the total benthic foraminiferal distributions in sediment-water interface samples collected from <2 m water depth on the carbonate tidal flats, and the two subtidal blue holes Freshwater River Blue Hole and Meredith’s Blue Hole, on the leeward margin of Great Abaco Island, The Bahamas. All samples are dominated by miliolid foraminifera (i.e., Quinqueloculina and Triloculina), yet notable differences emerge in the secondary taxa between these two environments that allows identification of two assemblages: a Carbonate Tidal Flats Assemblage (CTFA) vs. a Blue Hole Assemblage (BHA). The CTFA includes abundant common shallow-water lagoon foraminifera (e.g., Peneroplis, Rosalina, Rotorbis), while the BHA has higher proportions of foraminifera that are known to tolerate stressful environmental conditions of brackish and dysoxic waters elsewhere (e.g., Pseudoeponides, Cribroelphidium, Ammonia). We also observe how the hydrographic differences between subtidal blue holes can promote different benthic habitats for foraminifera, and this is observed through differences in both agglutinated and hyaline fauna. The unique hydrographic conditions in subtidal blue holes make them great laboratories for assessing the response of benthic foraminiferal communities to extreme environmental conditions (e.g., low pH, dysoxia).

Novel microbiome dominated by Arcobacter during anoxic excurrent flow from an ocean blue hole in Andros Island, The Bahamas

Andros Island, The Bahamas, composed of porous carbonate rock, has about 175 inland blue holes and over 50 known submerged ocean caves along its eastern barrier reef. These ocean blue holes can have both vertical and horizontal zones that penetrate under the island. Tidal forces drive water flow in and out of these caves. King Kong Cavern has a vertical collapse zone and a deep penetration under Andros Island that emits sulfidic, anoxic water and masses of thin, mucoid filaments ranging to meters in length and off-white turbid water during ebb flow. Our objective was to determine the microbial composition of this mucoid material and the unconsolidated water column turbidity based on the concept that they represent unique lithoautotrophic microbial material swept from the cave into the surrounding ocean. Bacterial DNA extracted from these filaments and surrounding turbid water was characterized using PCR that targeted a portion of the 16S rRNA gene. The genus Arcobacter dominated both the filaments and the water column above the cave entrance. Arcobacter nitrofigilis and Arcobacter sp. UDC415 in the mucoid filaments accounted for as much as 80% of mapped DNA reads. In the water column Arcobacter comprised from 65% to over 85% of the reads in the depth region from about 18 m to 34 m. Bacterial species diversity was much higher in surface water and in water deeper than 36 m than in the intermediate zone. Community composition indicates that ebb flow from the cavern influences the entire water column at least to within 6 m of the surface and perhaps the near surface as well.

“Great Blue Hole” (Lighthouse Reef, Belize, Central America) : a late Holocene high-resolution storm and climate archive

Paläoklimarekonstruktionen, die es sich zum Ziel gesetzt haben, Klima-Mensch Interaktionen auf lange Zeitreihen betrachtet zu erforschen, nehmen begünstigt durch die aktuell intensiv geführte Klimadebatte, einen immer größer werdenden Stellenwert in der öffentlichen und wissenschaftlichen Wahrnehmung ein. Denn trotz aller wissenschaftlicher Fortschritte, die in den vergangenen Jahrzehnten im Bereich der modernen Klimaforschung gemacht wurden, bleibt die zuverlässige Vorhersage und Modellierung von zukünftigen Klimaveränderungen noch immer eine der größten Herausforderungen unser heutigen Zeit. Betrachtet man die Karibik exemplarisch in diesem Rahmen, dann prognostizieren viele Modellrechnungen, infolge steigender Ozeantemperaturen, ein deutlich häufigeres Auftreten von tropischen Stürmen und Hurrikanen sowie eine Verschiebung hin zu höheren Sturmstärken. Dieser Trend stellt für die Karibik und viele daran angrenzende Staaten eine der größten Gefahren des modernen Klimawandels dar, den es wissenschaftlich über einen langen Zeitrahmen zu erforschen gilt. Klimaprognosen stützen sich meist vollständig auf hoch-aufgelöste instrumentelle Datensätze. Diese sind aber alle durch einen wesentlichen Aspekt limitiert. Aufgrund ihrer eingeschränkten Verfügbarkeit (~150 Jahre) fehlt ihnen die erforderliche Tiefe, um die auf langen Zeitskalen operierenden Prozesse der globalen Klimadynamik adäquat abbilden zu können. Betrachtet man das Holozän in seiner Gesamtheit, so wurde die globale Klimadynamik über die vergangenen ~11,700 Jahre von periodisch auftretenden Prozessen und Abläufen gesteuert. Diese wirken grundsätzlich über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten, teilweise Jahrhunderten und in einigen Fällen sogar Jahrtausenden. Viele dieser natürlichen Prozesse, können in der kurzen Instrumentellen Ära nicht gänzlich identifiziert und angemessen in Klimamodellen berücksichtig werden. Die alleinige Berücksichtigung der Instrumentellen Ära bietet daher nur eine eingeschränkte Perspektive, um die Ursachen und Abläufe von vergangenen sowie mögliche Folgen von zukünftigen Klimaveränderungen zu verstehen. Um diese Einschränkung zu überwinden, ist es somit erforderlich, dass die geowissenschaftliche Forschung mit Proxymethoden ein zusammenfassendes und mechanistisches Verständnis über alle Holozänen Klimaveränderungen erlangt. Wenn man sich diese Limitierung, die ansteigenden Ozeantemperaturen und das in der Karibik in den vergangen 20 Jahren vermehrte Auftreten von starken tropischen Zyklonen ins Gedächtnis ruft, ist es nachvollziehbar, dass im Rahmen dieser Doktorarbeit ein zwei Jahrtausende langer und jährlich aufgelöster Klimadatensatz erarbeitet werden soll, der spät Holozäne Variationen von Ozeanoberflächenwasser-temperaturen (SST) und daraus resultierende lang-zeitliche Veränderungen in der Häufigkeit tropischer Zyklone widerspiegelt. In Zentralamerika wird das Ende der Maya Hochkultur (900-1100 n.Chr.) mit drastischen Umweltveränderungen (z.B. Dürren) assoziiert, die während der Mittelalterlichen Warmzeit (MWP; 900-1400 n.Chr.) durch eine globale Klimaveränderung hervorgerufen wurde. Die aus einem „Blue Hole“ abgeleiteten Informationen über Klimavariationen der Vergangenheit können als Referenz für die gegenwärtige Klimakriese verwendet werden. Als „Blue Hole“ wird eine Karsthöhle bezeichnet, die sich subaerisch während vergangener Meeresspiegeltiefstände im karbonatischen Gerüst eines Riffsystems gebildet hat und in Folge eines Meeresspiegelanstiegs vollständig überflutet wurde. In einigen wenigen marinen „Blue Holes“ treten anoxische Bodenwasserbedingungen auf. Die in diesen anoxischen Karsthöhlen abgelagerten Abfolgen mariner Sedimente können als einzigartiges Klimaarchiv verwendet werden, da sie aufgrund des Fehlens von Bioturbation eine jährliche Schichtung (Warvierung) aufweisen. In dieser kumulativen Dissertation über das „Great Blue Hole“ werden die Ergebnisse eines 3-jährigen Forschungsprojekts vorgestellt, dass das Ziel verfolgte einen wissenschaftlich herausragenden spät Holozänen Klimadatensatz für die süd-westliche Karibik zu erzeugen. Beim „Great Blue Hole“ handelt es sich um ein weltweit einzigartiges marines Sedimentarchiv für diverse spät Holozäne Klima-veränderungen, das im Zuge dieser Dissertation sowohl nach paläoklimatischen als auch nach sedimentologischen Fragestellungen untersucht wurde. Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich im Einzelnen mit (1) der Ausarbeitung eines jährlich aufgelösten Archives für tropische Zyklone, (2) der Entwicklung eines jährlich aufgelösten SST Datensatzes und (3) einer kompositionellen Quantifizierung der sedimentären Abfolgen sowie einer faziell-stratigraphischen Charakterisierung von Schönwetter-Sedimenten und Sturmlagen. Zu jedem dieser drei Aspekte, wurde jeweils ein Fachartikel bei einer anerkannten wissenschaftlichen Fachzeitschrift mit „peer-review“ Verfahren veröffentlicht. Der insgesamt 8.55 m lange Sedimentbohrkern („BH6“), der für diese Dissertation untersucht wurde, stammt vom Boden des 125 m tiefen und 320 m breiten „Great Blue Holes“, das sich in der flachen östlichen Lagune des 80 km vor der Küste von Belize (Zentralamerika) gelegenen „Lighthouse Reef“ Atolls befindet. Durch seine besondere Geomorphologie wirkt das, innerhalb des atlantischen „Hurrikan Gürtels“ positionierte, „Great Blue Hole“ wie eine gigantische Sedimentfalle. Die unter Schönwetter-Bedingungen kontinuierlich abgelagerten Abfolgen feinkörniger karbonatischer Sedimente, werden von groben Sturmlagen unterbrochen, die auf „over-wash“ Prozesse von tropischen Zyklonen zurückzuführen sind. ...

Inland blue holes of The Bahamas – chemistry and biology in a unique aquatic environment

While lake systems in temperate regions have been extensively studied, tropical and subtropical systems have received less attention. Here, we describe the water chemistry and biota of ten inland blue holes on Andros Island, The Bahamas, representative of the morphological, abiotic, and biotic variation among Androsian inland blue holes. The majority of the studied blue holes were vertically stratified with oxic freshwater overlying anoxic saline groundwater of marine origin. Water chemistry (e.g.total phosphorus and nitrogen) in shallow waters was similar among blue holes, while turbidity and water color varied. Presence of hydrogen sulfide and reduced iron in and below the halocline indicate reducing conditions in all stratified blue holes. The biota above the halocline was also similar among blue holes with a few taxa dominating the phytoplankton community, and the zooplankton community consisting of copepods and rotifers. The Bahamas mosquitofish (Gambusia hubbsi) was present in all investigated blue holes, often accompanied by other small planktivorous fish, while the piscivorous bigmouth sleeper (Gobiomorus dormitor) was only present in some of the blue holes. Our field study reinforces that inland blue holes are highly interesting for biogeochemical research, and provide naturally replicated systems for evolu- tionary studies.

Diel vertical migration of copepods and its environmental drivers in subtropical Bahamian blue holes

Diel vertical migration (DVM) is the most common behavioral phenomenon in zooplankton, and numerous studies have evaluated DVM under strong seasonality at higher latitudes. Yet, our understanding of the environmental drivers of DVM at low latitudes, where seasonal variation is less pronounced, remains limited. Therefore, we here examined patterns of vertical distribution in copepods in six subtropical Bahamian blue holes with different food web structure and tested the role of several key environmental variables potentially affecting this behavior. Day and night samplings showed that copepods generally performed DVM, characterized by downward migration to deeper depths during the day and upward migration to surface waters at night. Across all blue holes, the daytime vertical depth distribution of calanoid copepods correlated positively with both predation risk and depth of food resources (Chlorophyll a), but was less affected by ultraviolet radiation (UVR). A potential explanation is that since UVR is a continuous threat across seasons, zooplankton have established photoprotective pigmentation making them less vulnerable to this threat. The copepods also showed a size-structured depth segregation, where larger individuals were found at deeper depths during the day, which further strengthens the suggestion that predation is a major driver of DVM in these systems. Hence, in contrast to studies performed at higher latitudes, we show that despite the constant exposure to UVR, predator avoidance and food availability are the most pronounced drivers of copepod DVM at those low latitudes, suggesting that the main driver of DVM may vary among systems, but also systematically by latitude.

Metagenomic insights into ecosystem function in the microbial mats of Blue Holes, Shark Bay

Microbial mat ecosystems vary in complexity and structure depending on the environmental constraints placed by nature. Here, we describe in detail for the first time the community composition and functional potential of the microbial mats found in the supratidal, gypsum-rich, and hypersaline region of Blue Holes, Shark Bay. This was achieved via high throughput sequencing of total mat community DNA on the Illumina NextSeq platform. Mat communities were mainly comprised of Proteobacteria (29%), followed by Bacteroidetes/Chlorobi Group (11%), and Planctomycetes (10%). These mats were found to also harbor a diverse community of potentially novel microorganisms including members from the DPANN and Asgard archaea, Candidate Phyla Radiation (CPR) and other candidate phyla, with highest diversity indices found in the lower regions of the mat. Major metabolic cycles belonging to sulfur, carbon, nitrogen, and fermentation were detected in the mat metagenomes with the assimilatory sulfate reduction pathway being distinctly abundant. Critical microbial interactions were also inferred, and from 117 medium-to-high quality metagenome-assembled genomes (MAGs), viral defense mechanisms (CRISPR, BREX, and DISARM), elemental transport, osmoprotection, heavy metal and UV resistance were also detected in the mats. These analyses have provided a greater understanding of these distinct mat systems in Shark Bay, including key insights into adaptive responses.

Anchialine biodiversity in the Turks and Caicos Islands: New discoveries and current faunal composition

Lying at the southernmost point of the Lucayan Archipelago, the Turks and Caicos Islands are amongst the better studied localities for anchialine cave biodiversity. For nearly five decades, novel invertebrate fauna, comprised primarily of crustaceans, have been collected from these tidally influenced pools – but new findings are always on the horizon. Herein we present new records of crustaceans and annelids from anchialine blue holes and horizontal caves of the Turks and Caicos. These findings include two potentially new species of meiofaunal annelids and a new species of remipede collected from a shallow water cave pool. Our 2019 expedition additionally expands known faunal distributions for several taxa across the Caicos islands, and raises the biodiversity of the region to 35 species, 13 of them considered endemic. This is the first comprehensive faunal list for the anchialine systems in the Caicos Bank.