Soil organic matter formation in the Byers Peninsula, Maritime Antarctica: origin and biochemical composition

Abstract

The knowledge about the dynamics of soil organic matter (SOM) in Antarctica is fundamental to better understand the functioning of terrestrial ecosystems and to analyze the possible impacts of global climate change. Despite this, information on SOM in Maritime Antarctica is still incipient. Thus, we aimed to: i) analyze the elemental and biochemical constitution of the SOM; ii) calculate the soil C and N stocks; iii) perform the dating of the C present in the soils of the Byers Peninsula, Maritime Antarctica; iv) evaluate the soil microbial composition and activity, and; v) identify possible formation routes of the SOM present in the Antarctic biome. The Byers Peninsula with about 60 km 2 - is the largest ice-free area in Maritime Antarctica. It is designated a Specially Protected Antarctic Area (ASPA N° 126) due to its identification as a habitat of global importance, since it hosts breeding colonies of several birds and intense occupation of elephant seals. It is also considered the most important limnological site in the region and the most vulnerable to human interference. Thirteen soil profiles were opened and classified to represent vegetational, geological, geomorphological diversity and distance from the Rotche Dome glacier. The profiles were described and classified according to Soil Taxonomy and World Reference Base for Soil Resources (WRB). Samples were collected from all horizons for chemical and physical characterization. Vegetation material surrounding the profiles was also collected. The characterization of the SOM was done by physical fractionation, determining the POM and MAOM fractions. From these, the determination of the contents of C, N, C/N ratio and the isotopic signatures of δ 13 C and δ 15 N was made, as well as in the collected vegetal materials. In order to biochemically characterize the SOM present in these fractions and the vegetation, thermochemolysis analysis was performed with identification of the compounds by GC/MS to analyze whether there is a correlation between the composition of these vegetables and the biochemical composition of the SOM. Nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 13 C NMR CP/MAS) analysis was also performed in order to characterize the SOM at the molecular level and to identify the abundance of functional groups present in it. The C dating by the 14 C method was also performed to assess whether there is a correlation of this with glacier retreat. To understand the microbiological activity present in the Antarctic soils and its relationship with SOM and soil attributes, DNA was extracted from selected samples for identification of the organisms. The high diversity of biotic and abiotic factors acting in Maritime Antarctica directly affects the accumulation, transformation, and stabilization of SOM. Due to the greater presence of ecological niches, greater plant diversity with the presence of vascular plants, and the marked action of avifauna, these factors differentiate the processes involved in the redistribution of SOM between Maritime and Continental Antarctica, in addition to the humidity factor (in the form of net precipitation) being a key factor in the most active humification processes in the soils studied. Keywords: Dynamics of soil organic matter. Elemental and biochemical composition. C and N stocks. Microbial composition. Formation routes of the SOM.O conhecimento sobre a dinâmica da matéria orgânica do solo (MOS) na Antártica é fundamental para melhor compreensão do funcionamento dos ecossistemas terrestres e análise dos possíveis impactos das mudanças climáticas globais. Apesar disso, as informações sobre a MOS na Antártica Marítima ainda são incipientes. Assim, objetivamos: i) analisar a constituição elementar e bioquímica da MOS; ii) calcular os estoques de C e N do solo; iii) realizar a datação do C presente nos solos da Península Byers, Antártica Marítima; iv) avaliar a composição e atividade microbiana do solo, e; v) identificar possíveis rotas de formação da MOS presente no bioma Antártico. A Península Byers com cerca de 60 km 2 – é a maior área livre de gelo da Antártica Marítima. Designada uma Área Antártica Especialmente Protegida (ASPA Nº. 126) devido a sua identificação como habitat de importância global, uma vez que abriga colônias de reprodução de diversas aves e de intensa ocupação de elefantes marinhos. É também considerado o mais importante sítio limnológico da região e o mais vulnerável à interferência humana. Treze perfis de solos foram abertos e classificados de forma a representar diversidade vegetacional, geológica, geomorfológica e distância da geleira Rotche Dome. Os perfis foram descritos e classificados conforme o Soil Taxonomy e World Reference Base for Soil Resources (WRB). Amostras foram coletadas em todos os horizontes para caracterização química e física. O material referente a vegetação circundante aos perfis também foi coletado. A caracterização da MOS foi realizada a partir do fracionamento físico, determinando as frações MOP e MAM. A partir dessas, foi feita a determinação dos teores de C, N, razão C/N e as assinaturas isotópicas de δ 13 C e δ 15 N, assim como nos materiais vegetais coletados. Com o intuito de caracterizar bioquimicamente a MOS presente nessas frações e a vegetação, foi realizada a análise de termoquimólise com identificação dos compostos por GC/MS, para analisar se há correlação entre a composição desses vegetais e a composição bioquímica da MOS. Foi realizada também a análise de espectroscopia de ressonância magnética nuclear ( 13 C RMN CP/MAS) com o objetivo de caracterizar a nível molecular a MOS e identificar a abundância de grupos funcionais presentes nesta. Foi realizada também a datação do C pelo método do 14 C, para avaliar se há correlação deste com o recuo da geleira. Para a compreensão da atividade microbiológica presente nos solos da Antártica Marítima e sua relação com a MOS e os atributos do solo, foi feita a extração de DNA de amostras selecionadas para identificação dos organismos. A elevada diversidade de fatores bióticos e abióticos que atuam na Antártida Marítima afeta diretamente a acumulação, transformação e estabilização da MOS. Devido à maior presença de nichos ecológicos, maior diversidade de plantas com a presença de plantas vasculares, e a marcada ação da avifauna, estes fatores diferenciam os processos envolvidos na redistribuição da MOS entre a Antártida Marítima e Continental, para além do fator humidade (sob a forma de precipitação líquida) ser um fator chave nos processos de humificação mais ativos nos solos estudados. Palavras-chave: Dinâmica da matéria orgânica do solo. Composição elementar e bioquímica. Estoques de C e N. Composição microbiana. Rotas de formação da MOS.