Changes in the structure and function of the nearshore benthic fauna communities in a rapidly deglaciating Antarctic fjord Marian Cove, King George Island, the West Antarctic Peninsula

Abstract

빙하후퇴는 퇴적작용이나 입도, 물리적 교란과 같은 환경의 변화를 유발하여 극지 연안의 저서 무척추동물들에게 강한 영향을 미친다. 남극의 천해에서 심해에 이르기까지 널리 분포하고 있는 저서동물들은 육상의 대부분이 빙하로 뒤덮인 극지에서 저서 생태계의 중요성을 보여준다. 하지만 온난화로 인한 빙하후퇴에 대한 저서 생태계의 반응과 변화에 대해서는 많은 것이 알려지지 않았다. 이를 밝히기 위해 다음의 세 가지 질문에 답하고자 빙하가 후퇴한 남극 연안 피요르드만에서 거대저서동물 군집의 구조와 기능을 조사하였다. 1) 거대저서동물 군집은 빙하후퇴 이후에 어떻게 변하는가? 2) 남극 빙하후퇴 지역의 거대저서동물 분포를 지표하는 분류군 및 관련 환경 요인은 무엇인가? 3) 남극의 우점 분류군 중 하나인 멍게의 섭식 양상은 빙하의 영향에 따라 달라지는가? 빙하가 후퇴한 남극 피요르드만의 거대저서동물 군집 분포와 섭식 양상을 확인하기 위해 마리안소만에서 처음으로 수중 ROV 영상조사를 수행하였다. 멍게 섭식 양상은 탄소 및 질소 동위원소 분석을 통해 확인하였다. 빙하후퇴 지역에서 거대저서동물 군집의 구조적, 기능적 다양성은 공간에 따라 뚜렷하게 달랐다. 종 다양성은 빙하의 영향이 감소하는 만의 외측으로 갈수록 증가했으나 서식밀도는 개척종들(Molgula pedunculata 및 Cnemidocarpa verrucosa)의 급격한 증가로 빙벽 인근에서 가장 높았다. 저서 군집은 빙하후퇴 이후에 상위분류단계 수준에서는 빠르게 성숙되었다(약 10년 이내). 반면, 기능적 다양성은 외측으로 갈수록 증가했으며, 비교적 물리적 교란이 적고 먹이 공급은 풍부한 30 m에서 가장 높았다. 이 연구는 남극 연안에서 빙하후퇴 이후의 3단계 거대저서동물 군집 변화 과정(가입, 전환, 성숙)을 보여주었다. 멍게 분포는 거대저서동물 변화의 64%를 반영하여 남극 빙하후퇴에 대한 저서 생태계 반응을 모니터링하기 위한 지표군으로 적합했다. 멍게의 공간분포는 빙하로부터의 거리와 수심에 따라 뚜렷하게 달랐다. 서식밀도는 개척종들(M. pedunculata 및 C. verrucosa)의 급격한 증가로 빙벽 인근에서 최대였으나 종다양성은 빙하의 영향이 감소하는 외측으로 갈수록 증가하였다. 이런 공간분포 양상은 비교적 교란이 심한 얕은 수심(10–30 m)에서는 두드러지지 않았다. 물리적 교란 정도를 나타내는 퇴적물 특성과 빙벽으로부터의 거리가 멍게 분포를 결정하는 주요인이었다. δ13C와 δ15N 분석은 남극 연안에서 빙하의 영향에 따른 멍게 우점종 3개의 섭식 양상 변화를 보여주었다. 마리안소만에서 멍게의 주요 먹이는 저서규조류였으며(30–70%), 멍게 먹이에 대한 저서규조류의 기여도는 수심 100 m까지 유효했다. 멍게의 섭식은 종에 따라 달랐다. 비선택적 섭식을 하는 기둥형 멍게인 M. pedunculata의 먹이 대한 수층 생산의 기여는 식물플랑크톤이 풍부한 외측으로 갈수록 증가했다. 하지만 여전히 저서규조류가 주된 먹이원 중 하나였다. 반면, 분출 기작을 가진 C. verrucosa와 납작한 형태인 Ascidia challengeri는 빙하의 영향과 무관하게 저서규조류를 주로 섭식했다. 이 결과들은 남극 연안에서 저서규조류가 여과섭식자들의 주된 먹이원이며, 특히 빙하후퇴로 인한 높은 탁도로 수층 생산력이 낮은 지역에서 핵심 먹이원임을 보여주었다. 본 연구는 빙하후퇴에 대한 남극 저서생태계의 반응에 대한 정보를 제공한다. 마리안소만 빙하로부터의 거리는 해저가 노출된 시간과 비례하여, 거대저서동물 군집의 공간 분포로부터 빙하 후퇴 이후에 발생한 군집의 천이 과정을 유추할 수 있다. 그러므로 이 연구의 결과는 기후변화에 따른 남극 해양 생태계의 변화를 예측하고 대비하기 위한 토대를 제공한다.

On polar coasts, glacial retreat strongly affects benthic invertebrates by oceanographic settings, including physical disturbance, habitat alteration, and food availability. Benthic organisms widely distributed from shallow to deep seabeds of the Antarctic represent an important polar benthic ecosystem, but ecological processes and the impacts of recent glacial retreat remain unanswered. The community structure and function of benthic megafauna were investigated in a glacial retreated fjord in Antarctica to answer the following questions: 1) how do the benthic megafauna communities shift after glacial retreat? 2) what are the sentinel taxa and environmental factors for benthic megafauna distribution in the deglaciated Antarctic nearshore? 3) do the diets of ascidians differ under the influence of the glaciers? To confirm the distributions of the benthic megafauna community in a deglaciated fjord of Antarctica, underwater imagery survey using a ROV was conducted for the first time in Marian Cove (MC). The diets of ascidians were determined from C and N stable isotope analyses In the glacial retreated fjord, the structural and functional diversities of benthic megafauna communities varied greatly in space. Species diversity increased towards the outer sites where the glacial influence decreased, but the density peaked near the glaciers by the rapid increase of pioneer species (Molgula pedunculata and Cnemidocarpa verrucosa). Benthic communities matured rapidly at higher taxonomic levels after the glacial retreat (~10 years after seabed exposure). Functional diversity, on the other hand, increased toward the outside of the cove and peaked at 30 m as a result of a lesser disturbance and more food-availability. This study showed that three stages (colonization, transition, and maturing) represent the shift process of the benthic megafauna community after the glacial retreat in the Antarctic nearshore. The spatial distribution of ascidians explaining 64% of the benthic megafaunal variations indicates that ascidians are suitable indicator taxa for monitoring the responses of the benthic ecosystem to the glacial retreat in Antarctica. The spatial distribution of ascidians was significantly changed with the distance from the glacier and water depth. The density peaked near the glacier by a rapid increase of pioneer species (M. pedunculata and C. verrucosa), but diversity increased toward the outer site where the glacial influence decreased. The spatial pattern was not distinct at shallow depths (10 to 30 m) which had relatively severe disturbances. Sediment properties and distance from the glacier indicating the physical disturbance level by the deglaciation were key factors determining the ascidian distributions. δ13C and δ15N analysis showed changes in the diets of the three dominant ascidians according to the effects of the glaciers in the Antarctic nearshore. Benthic diatoms were the primary food (30–70%) for the ascidians in MC, and their contribution to the diets of the ascidians was significant up to 100 m. The diets of the ascidians differed depending on the species. The contribution of pelagic production to M. pedunculata with non-selective feeding and cylindrical body form increased toward the outer site abundant in phytoplanktons, but benthic diatoms were still one of the major food sources. On the other hand, benthic diatoms were the major food for C. verrucosa, which had a squirting behavior, and Ascidia challengeri, which had a laterally flat body, regardless of the influence of the glaciers. These results indicate that benthic diatoms were the primary food for filter feeders in the Antarctic nearshore, and their contribution was particularly high in areas with low pelagic production due to high turbidity by the glacial retreats. Overall, the present study provides information on benthic ecosystem responses to glacial retreats in Antarctica. Given that the distance from the glacier was proportional to the seabed exposure time in MC, the spatial variation in the benthic megafauna community across the cove indicates the successional processes that occurred in the past after the glacial retreats. Therefore, this study provides a basis for predicting and preparing for changes in the Antarctic marine ecosystem caused by climate change.