Toxic and bloom-forming Baltic Sea cyanobacteria under changing environmental conditions

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4206-1
Title: Toxic and bloom-forming Baltic Sea cyanobacteria under changing environmental conditions
Author: Teikari, Jonna
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The Baltic Sea is a shallow brackish water ecosystem. It is naturally prone to eutrophication, and massive cyanobacterial blooms are an annual phenomenon in this region. Blooms are toxic to humans and animals, and cause economical losses and harm for recreational users. Almost all cyanobacteria are photoautotrophic organisms, and many bloom-forming Baltic Sea cyanobacteria can additionally fix atmospheric nitrogen. Inorganic phosphorus is usually the first and most important growth-limiting factor. Monitoring the external phosphorus inflow is strictly implemented by the coastal states, but uneven point load still occurs. In addition, a heavy and long-term phosphorus load has resulted in substantial phosphorus reservoirs in the sediments and phosphorus can be circulated back to the waterbody. Cyanobacterial blooms in the Baltic Sea are dominated by Aphanizomenon sp., Dolichospermum sp., and Nodularia spumigena, of which Dolichospermum sp. and N. spumigena can produce toxins. Due to their evolutionary history, Dolichospermum sp. is more abundant in the less saline coastal regions, whereas N. spumigena dominates in the open sea. This work studied the effects of changing environmental conditions on the distribution and niche adaptation strategies of toxic and bloom-forming Baltic Sea cyanobacteria using state-of-the-art sequencing and molecular biology methods. Climate change models have predicted that the salinity of the Baltic Sea will possibly decline in the future, and thus the behavior of Dolichospermum sp. and N. spumigena was studied in unfavorable salinities. Comparative genomic analysis showed that Dolichospermum sp. has high synteny between its freshwater counterparts, and possibly therefore the strain was unable to proliferate in moderate salinities. Salt addition induced massive transcriptional shifts, especially within the photosynthesis and nitrogen-fixing pathways. Moreover, moderate salinity increased the production of microcystins and triggered the oxidative stress response. On the contrary, N. spumigena thrived in higher salinities, and its growth and metabolism were hindered by freshwater. Unique sigma factors and an elevated number of transposases were identified in the genome of N. spumigena, suggesting a high genetic capacity to adapt to changing salinities and brackish water conditions. The growth and metabolism of Dolichospermum sp. and N. spumigena were arrested under limited availability of inorganic phosphorus. Both strains upregulated the genes in the pho regulon, indicating that these genes can be used for determining the phosphorus status of cyanobacterial blooms. All studied strains of N. spumigena from the Baltic Sea carried the phnC-M gene cluster, which is responsible for the transport and utilization of the highly stable phosphonates. Naturally produced phosphonates were an additional phosphorus source for N. spumigena cyanobacteria, and produced a competitive advantage in phosphorus-limited conditions. However, methane, an organic remnant of methylphosphonate was released to the gaseous environment. Blooms of N. spumigena cyanobacteria may thus explain the elevated summertime methane concentration in the Baltic Sea. The results presented in this thesis suggest that cyanobacterial blooms will continue to appear in the future if sufficient amount of phosphorus is present but community composition may shift towards freshwater species as a consequence of climate change.Itämeri on matala murtovesiallas ja se on luontaisesti erittäin altis rehevöitymiselle. Massiiviset syanobakteeri- eli sinileväkukinnat ovatkin alueella jokakesäinen ilmiö. Kukinnat ovat myrkyllisiä ihmiselle ja muille nisäkkäille ja ne aiheuttavat haittaa veden virkistyskäyttäjille. Kaikki syanobakteerit ovat yhteyttäviä organismeja. Lisäksi Itämerellä kukintoja muodostavat lajit kykenevät sitomaan ilmakehän typpeä, minkä seurauksena epäorgaanisen fosforin saatavuus toimii usein syanobakteerien kasvua rajoittavana tekijänä. Itämerta ympäröivät valtiot valvovatkin nykyään tiukasti maalta tulevia epäorgaanisia fosforipäästöjä, mutta satunnaisia pistekuormituksia tapahtuu edelleen. Pitkään jatkunut raskas fosforikuorma on kuitenkin yhä sitoutuneena pohjan sedimentteihin, mistä se vapautuu vähitellen takaisin vesipatsaaseen. Itämeren syanobakteerikukinnat koostuvat Aphanizomenon sp., Dolichospermum sp. ja Nodularia spumigena -lajeista, joista kaksi jälkimmäistä tuottavat myrkkyjä. Evolutiivisen historiansa vuoksi Dolichospermum sp. esiintyy runsaammin vähäsuolaisemmilla rannikkovesialueilla, kun taas N. spumigena vallitsee suolaisemmalla avomerellä. Tässä työssä Itämeren myrkyllisten ja kukintoja muodostavien syanobakteerien esiintymistä ja kykyä sopeutua ilmastonmuutoksesta ja ihmisen toiminnan seurauksesta aiheutuvaan muuttuvaan ympäristöön on arvioitu nykyaikaisten sekvensointi- ja molekyylibiologisten työkalujen avulla. Koska Itämeren suolapitoisuuden on ennustettu madaltuvan ilmastonmuutoksen seurauksena, tämän työn ensimmäisessä osassa selvitettiin, miten Dolichospermum sp. ja N. spumigena käyttäytyvät epäsuotuisissa suolapitoisuuksissa. Laboratoriokokeet osoittivat, että Dolichospermum sp. on geneettisiltä ominaisuuksiltaan hyvin samankaltainen makean veden sukulaistensa kanssa, eikä se kykene kasvamaan korkeissa suolapitoisuuksissa. Korkeat suolapitoisuudet aiheuttivat mittavaa transkriptomin uudelleenjärjestäytymistä, mikä näkyi erityisesti fotosynteesi- ja typensidontakoneistojen toiminnan tukahduttamisena. Lisäksi korkea suolapitoisuus lisäsi myrkyntuotantoa sekä lipidien uudelleenjärjestäytymistä. N. spumigena kasvoi parhaiten korkeammissa suolapitoisuuksissa, ja matalammat suolapitoisuudet aiheuttivat metabolian hidastumista. N. spumigena -syanobakteerin genomisekvenssistä pystyttiin tunnistamaan ainutlaatuisia ominaisuuksia, joilla on todennäköisesti tärkeä rooli murtovesissä. Tutkittujen lajien kasvu ja metabolia hidastuivat, kun fosforin määrä oli rajoitettu. Molemmat lajit ilmensivät myös voimakkaasti pho-säätelyalueen geenejä, joita voidaan hyödyntää määritettäessä fosforin määrää syanobakteerikukinnoissa. Kaikilta tutkituilta Itämeren N. spumigena -kannoilta löydettiin phnC-M-geenialue, joka on vastuussa stabiilien fosfonaattimolekyylien kuljettamisesta ja pilkkomisesta. Työssä havaittiin, että luonnollisesti tuotetut fosfonaatit toimivat vaihtoehtoisena fosforinlähteenä N. spumigena -syanobakteereille ja tarjoavat lajille kilpailuedun alueilla, joilla epäorgaanisen fosforin saatavuus on niukkaa. N. spumigena ei kuitenkaan hyödyntänyt metyylifosfonaatista vapautuvaa orgaanista hiilimolekyyliä, metaania, ja metaanipitoisuuden määrä ympäröivässä kaasutilassa kasvoi. Massiivisilla N. spumigena -kukinnoilla saattaakin olla yhteys Itämeressä kesäisin havaittuihin kohonneisiin metaanipitoisuuksiin. Tulosten pohjalta voidaan päätellä, että syanobakteerikukinnat eivät katoa Itämerestä mikäli kokonaisfosforin määrää ei pienene, mutta kukintojen lajikoostumus saattaa muuttua ilmastonmuutoksen seurauksena.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4206-1
http://hdl.handle.net/10138/234267
Date: 2018-05-04
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
toxicand.pdf 1.528Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record