Impact of salinity change on food web interactions within the microbial loop in the Baltic Sea

Abstract

Tiivistelmä - Referat - Abstract Ilmastonmuutoksen uskotaan aiheuttavan muutoksia Itämeren suolapitoisuuksissa. Suolapitoisuuden muutos tulee vaikuttamaan myös Itämeren eliölajeihin, kuten planktoniin. Mikrobisilmukka on tärkeä osa planktonravintoverkkoa. Se muodostuu toisenvaraisista bakteereista, nanoflagellaateista ja ripsieläimistä ja se on yhteydessä niin sanottuun perinteiseen ravintoverkkoon mikrobisilmukan muodostavien eliöryhmien ja kasviplanktonin sekä mesoeläinplanktonin välisten vuorovaikutussuhteiden kautta. Suolapitoisuus ei siksi vaikuta vain suorasti mikrobisilmukan eliöryhmien fysiologiaan ja esiintymiseen, vaan se vaikuttaa myös epäsuorasti mikrobisilmukkaan sekä tämän rooliin ekosysteemissä, kun kasviplankton- ja mesoeläinplanktonyhteisöissä tapahtuvat muutokset muuttavat mikrobiravintoverkon vuorovaikutussuhteita.

Tässä pro-gradu tutkielmassa tutkin suolapitoisuuden muutoksen vaikutuksia mikrobisilmukan muodostaviin eliöryhmiin: toisenvaraisiin bakteereihin, nanoflagellaatteihin ja ripsieläimiin. Tutkin tätä Tvärminnen eläintieteellisen aseman lähellä mereen rakennetun mesokosmikokeen avulla, jolla oli neljä suolapitoisuuskäsittelyä: 3.5, 5.5, 7.5 ja 9.5. Mesokosmeista kerättiin bakteerinäytteet joka toinen päivä ja nanoflagellaatti ja ripsieläinnäytteet kerättiin joka kuudes päivä viiden viikon ajan. Analysoin bakteerit virtaussytometrialla, nanoflagellaatit fluoresoivalla mikroskoopilla ja ripsieläimet käänteismikroskoopilla. Käytin lineaarisia sekamalleja suolapitoisuuden vaikutuksen tilastolliseen testaamiseen.

Mesokosmikokeesta saatujen tulosten mukaan suolapitoisuuden muutos vaikutti epäsuorasti mikrobisilmukan eliöryhmiin mesoeläinplanktonyhteisössä tapahtuvien muutosten kautta. Matalan ja korkean suolapitoisuuden käsittelyiden välillä oli merkitsevä ero bakteerien määrässä sekä bakteeriyhteisöjen rakenteessa. Bakteerien ja nanoflagellaattien välisissä vuorovaikutussuhteissa sekä ripsieläinten keskimääräisessä solukoossa oli myös merkitseviä eroja matalan ja korkean suolapitoisuuden käsittelyjen välillä. Nämä erot johtuivat pääosin suolapitoisuuksien aiheuttamista eroista saalistajien ja kilpailun aiheuttamissa säätelyvaikutuksissa alempiin ravintoketjun tasoihin, nanoflagellaatteihin ja bakteereihin, johtaen lopulta eroihin bakteerien runsauksissa ja yhteisörakenteessa. Tämän tutkielman tulosten perusteella lisää tutkimuksia tarvittaisiin siitä, miten ilmastonmuutoksen aiheuttamat muutokset mikrobisilmukan rakenteessa ja toiminnassa vaikuttavat ekosysteemiin. Lisäksi, jotta paremmin pystyttäisiin ymmärtämään mikrobisilmukan roolia energian ja ravinteiden kierrossa, tarvittaisiin lisää tutkimusta mikrobisilmukan eliöryhmien yhteisörakenteesta sekä eri lajien toiminnallisista tehtävistä mikrobisilmukassa.

Climate change is expected to cause salinity change in the Baltic Sea and therefore may affect organisms living in the Baltic such as plankton. The microbial loop is an important part of the plankton food web. It consists of heterotrophic bacteria, nanoflagellates and ciliates and is connected with the classic plankton food chain through interactions with primary producers and mesozooplankton. Therefore, salinity affects the functioning of the microbial food web not only directly, but also through salinity induced changes on primary producers and mesozooplankton.

In this master’s thesis I studied the effects of salinity change on microbial loop components bacteria, nanoflagellates and ciliates in an outdoor mesocosm experiment containing four salinity treatments with salinities of 3.5, 5.5, 7.5 and 9.5, three replicas each. The experiment took place offshore at the Tvärminne Zoological Station. Bacteria were sampled from the mesocosms every other day and nanoflagellates and ciliates every 6th day. Bacteria were analysed with the flow cytometer, nanoflagellates with epifluorescent microscopy and ciliates using an inverted microscope. The effects of salinity on microbial loop components were statistically tested using linear mixed effects models.

Results of the experiment show that salinity had an indirect effect on microbial loop components through changes in mesozooplankton composition. There were significant differences between high and low salinity treatments in bacteria abundance and composition, the interaction strength between HNFs and bacteria and in the mean cell size of ciliate communities. These were mainly caused by differences in mesozooplankton community structure between salinity treatments, which had cascading effects on the strength of top-down and bottom-up control on the trophic levels of the microbial loop, leading to changes in bacteria abundances and composition. Based on the results of this thesis, more studies are needed to detect the effects that changes in the composition and functioning of the microbial loop might have on the ecosystem. Further research should also focus on the significance of the structure and diversity of the communities within the microbial loop as well as the functional roles of different species in the microbial food web.