The Lost Hammer (LH) spring, located on Axel Heiberg Island in the Canadian High Arctic, is the coldest and saltiest terrestrial spring discovered to date. It is characterized by perennial discharges of subzero temperatures (-5°C), hypersalinity (24% salinity), along with reducing (≈-165 mV), microoxic, and oligotrophic conditions. It is rich in sulfates (10.0% w/w), dissolved H2S/sulfides (up to 25 ppm), ammonia (≈381 μM), and methane (11.1 g d-1). The LH spring system contains the outlet and the outflow channel. In the initial study of the LH channel sediment, the results determined the microbial abundance by using fluorescent microscopy in the channel sediment; also, the study characterized the cultured representatives and confirmed that most of these isolates are halotolerant and psychrotolerant microorganisms. The mineralization assays on the LH channel sediment revealed that the heterotrophic microorganisms remained activity down to -20°C. To determine the total microbial communities inhabiting the LH spring system, the study demonstrated the microbial 16S rRNA genes and the active 16S rDNA profiles for different sampling locations, including the outlet, channel and the adjacent tundra. We identified that the Bacteria from the five phyla (Bacteroidetes, Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes, and Cyanobacteria) were the dominant bacterial groups at the LH spring system. In the archaeal communities, microorganisms affiliated with three phyla (Euryarchaeota, Crenarchaeota, and Thaumarchaeota) were identified. To determine its total functional and genetic potential, we performed metagenomic analysis of the LH spring outlet microbial community. Reconstruction of the enzyme pathways responsible for bacterial nitrification/denitrification/ammonification and sulfate reduction appeared nearly complete in the metagenomic dataset. Stress-response genes for adapting to cold, osmotic stress, and oxidative stress were also abundant in the metagenome. Comparing functional community composition of the LH spring to metagenomes from other saline/subzero environments revealed a close association between LH and another Canadian High Arctic permafrost environment, particularly in genes related to sulfur metabolism and dormancy. To identify the abundance and the presence of the featured genes (amoA and hcd) of Thaumarchaea at the LH spring system, we performed qPCR to assess their abundance. A phylogenetic analysis was performed using the putative amino acid sequences of these genes to identify their phylogenetic affiliation. The copy numbers of Thaumarchaeal amoA and hcd genes in LH channel sediment and the adjacent tundra were roughly 10 to a hundred-folds less than those reported in other environments. The phylogenetic tree of amoA showed similar patterns of grouping as the analysis done by 16S rRNA. This thesis demonstrates the microbial ecology, diversity and activity at the LH spring system and provides knowledge for the microbiology studies on cryo- and hypersaline environments. / La source de Lost Hammer (LH), située sur l'ile d'Axel Heiberg dans le Grand Nord Canadien, est la source la plus froide et la plus salée découverte à ce jour sur terre. Elle est caractérisée par des décharges pérennes de températures sous zéro (-5°C), par ses conditions hyper salines (salinité de 24%), réductrices (≈-165 mV), microoxiques, et oligotrophiques. Elle est aussi riche en sulfates (10.0% w/w), en H2S/sulfites dissouts, en ammoniac (≈381 μM), et en methane (11.1 g d-1). Le système de la Source de LH contient la sortie et le canal de sortie. L'étude originale des sédiments du canal détermina l'abondance de microbes avec des techniques de microscopie fluorescente. L'étude caractérisa aussi les cultures représentatives et confirma que la majorité des isolats sont des microorganismes halotolérants et psychrotolérants. Les tests de minéralisation des sédiments du canal de LH ont révélés que les microorganismes hétérotrophes restent actifs jusqu'à -20°C. Pour determiner la communauté totale vivant dans le système de la source de LH, l'étude investigua les profils de l'ARNr 16S ainsi que l'ARNr 16S actif microbien pour différents endroits d'échantillonnage, incluant la sortie, le canal, et la toundra adjacente. Nous avons identifié que les bactéries de cinq phylums (Bacteroidetes, protéobactéries, Actinobactéries, Firmicutes et Cyanobactéries) étaient les groupes de bactéries dominantes dans ce système. Dans les communautés archées, des microorganismes affiliés avec trois phylums (Euryarchaeota, Crenarchaeota et Thaumarchaeota) ont été identifiés. Pour déterminer son potentiel fonctionel et génétique total, nous avons performé l'analyse métagénomique de la communauté microbienne de la sortie de la source de LH. La reconstruction des voies enzymatiques responsables pour la nitrification/dénitrification/ammonification bactériennes et pour la réduction du sulfate apparut presque complète dans la banque de donnés métagnénomique. Les gènes de réponse au stress pour l'adaptation au froid, pour les chocs osmotiques et pour le stress oxydatif étaient aussi abondants dans le métagénome. En comparant la composition des communautés fonctionnelles du métagénome de la Source de LH, avec d'autres environnements salins et sous zéro, a révélé une association entre LH et un autre environnement du permafrost du Grand Nord Canadien, particulièrement dans les gènes reliés au métabolisme de sulfure et de dormance. Pour identifier l'abondance et la présence de gènes d'intérêt (amoA et hcd) de Thaumarchaea dans le système, nous avons performé les expériences qPCR. Une analyse phylogénique a aussi été faite pour identifier leur affiliation phylogénique en utilisant les séquences probables d'acides aminés de ces gènes. Le nombre de copies des gènes amoA et hcd de Thaumarchaea dans les sédiments du canal et dans la toundra adjacente étaient environ dix à cent fois moins que ceux rapportés dans d'autres environnements. L'arbre phylogénique de amoA a démontré des motifs similaires de regroupement à ceux de l'analyse faite avec r16S rADN. Cette thèse démontre l'écologie microbienne, la diversité et l'activité du système de la Source de LH, et apporte un savoir pour les études de microbiologie sur des environnements froids et hypersalins.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.121380 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Lay, Chih-Ying |
| Contributors | Lyle Whyte (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Natural Resource Sciences) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses |
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