Sediment Bacterial Communities in Nutrient Cycling and in the History of the Baltic Sea

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-9055-4
Title: Sediment Bacterial Communities in Nutrient Cycling and in the History of the Baltic Sea
Author: Sinkko, Hanna
Other contributor: Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta, elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos
Helsingfors universitet, agrikultur-forstvetenskapliga fakulteten, institutionen för livsmedels- och miljövetenskaper
University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences, Mikrobiolgia ja biotekniikka
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2013-08-22
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-9055-4
http://hdl.handle.net/10138/40204
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The Baltic Sea has experienced fresh-, brackish, oxic and hypoxic water phases and its deepest bottom areas are naturally hypoxic. Recently, eutrophication has caused spreading of hypoxic areas and internal feedback mechanisms, such as the release of phosphorus (P) and nitrogen (N) nutrients from sediment to water, which sustains hypoxia. Bacteria participate in release of nutrients by mineralizing organic matter or by altering the sediment s ability to retain nutrients. In deeper sediment layers, most microbes are inactive, dead or only their DNA is preserved, representing the remains of the preceding sedimentary communities. This work investigated variation in bacterial communities in the northeastern Baltic Sea sediments along the gradients of chemical forms of P and elements related to its cycling, as well as organic matter and some properties of the upperlying water column such as oxygen concentrations. The results were discussed from the standpoint of nutrient recycling, which sustains the eutrophic conditions of the Baltic Sea. In addition, a sediment core covering the last 8000 years were investigated to determine whether historical phases of the Baltic Sea can be inferred from bacterial community data and this kind of data could be used as a palaeomicrobiological tool. Current and historical bacterial communities were studied using terminal restriction fragments length polymorphism and sequencing of the 16S rRNA genes. The data obtained were examined with sediment properties, using statistics and phylogenetics. Bacterial communities changed mainly along the gradients of chemical forms of P and organic matter. Most importantly, sulphate-reducing bacteria correlated with organic and Fe-bound P as well as redox-sensitive iron (Fe). The correlations indicated that sulphate reducers participated in the release of Fe-bound P, indirectly by producing sulphide, which captures Fe, or directly by reducing Fe oxyhydroxides. The predominance of sulphate reducers in most areas suggests that hypoxia has progressed in the phase where bacteria process most of the benthic energy. The phylum Chloroflexi, typical for organic-rich environments, increased downwards and was common throughout the sediment core spanning the 8000-year history of the Baltic Sea. This indicates that these bacteria were important in terminal mineralization and that the Baltic has been relatively organic-rich throughout its history, which makes it sensitive to external nutrient loading. The bacterial communities of the Early and Late Litorina Sea phase were distinguished from the communities of the Litorina Sea phase, which correlated positively with uranium and strontium, used as palaeooxygen and palaeosalinity proxies. Salinity changes also explained a sudden increase in the heterogeneity of the bacterial communities of Litorina Sea layers, which indicates that a salinity maximum occurred in the central Gulf of Finland 6200 6600 years ago. This study showed that bacterial community data may be used as an additional tool e.g. in ocean-drilling projects, which aim to detect historical environmental events from the sedimentary record.Historiansa aikana Itämeri on ollut vuoroin makea- tai murtovetinen ja pohja-alueiden happipitoisuus on vaihdellut. Luonnostaan hapettomat pohja-alueet ovat rehevöitymisen seurauksena laajentuneet ja hapettomuudesta johtuva ravinteiden kuten fosforin ja typen vapautuminen sedimentistä vesipatsaaseen on lisääntynyt, mikä ylläpitää rehevöitymistä. Bakteerit aiheuttavat ravinteiden vapautumista sedimentistä pohjaveteen esimerkiksi hajottaessaan eloperäistä ainetta. Tässä prosessissa aerobit bakteerit kuluttavat happea, mikä lisää esimerkiksi rautaan sitoutuneen fosforin vapautumista. Syvemmällä hapettomissa sedimenteissä eloperäinen aine on pidemmälle hajotettua ja suurin osa bakteereista on horrostilassa tai kuolleena. Syvemmällä menneet bakteeriyhteisöt heijastavat vesipatsaan aiempaa tilaa. Väitöskirjassani tutkin sedimenttien bakteeriyhteisöjen muutosta sedimentin kemiallisten ominaisuuksien ja ympäröivien olosuhteiden kuten pohjaveden happipitoisuuden muuttuessa Suomenlahdella ja Saaristomerellä. Käsittelin tuloksia ravinteiden vapautumisen näkökulmasta, koska vapautuvat ravinteet ylläpitävät Itämeren rehevöitynyttä tilaa. Lisäksi selvitin voiko sedimentin bakteeriyhteisöjä käyttää työkaluna tutkittaessa merien historiaa ja heijastivatko bakteeriyhteisön syvyyssuuntaiset muutokset Itämeren historiallisia vaiheita viimeisten 8000 vuoden ajalta. Määritin bakteeriyhteisön 16S rRNA geenien päätekatkokirjoanalyysillä (T-RFLP) ja sekvensoinnilla. Vertasin yhteisön muutosta sedimentin kemiallisiin, geokemiallisiin ynnä muihin muutoksiin tilastollisilla monimuuttujamenetelmillä. Fosforin käyttökelpoisuus vaikutti eniten sedimentin bakteeriyhteisöihin siirryttäessä maatalouden kuormittamalta Saaristomereltä Suomenlahdelle. Suomenlahdella bakteeriyhteisö muuttui eniten eloperäisen kuormituksen vaikutuksesta. Laajoilla ja erityisesti vähähappisilla pohjilla hallitsivat sulfaattia pelkistävät bakteerit, joiden määrä lisääntyi orgaanisen fosforin ja typen sekä hapetus-pelkistys-olosuhteisiin reagoivan raudan ja tähän rautaan sitoutuneen fosforin lisääntyessä. Sulfaatin pelkistäjät vapauttavat välillisesti rautaan sitoutunutta fosforia, sillä ne tuottavat sulfidia, joka saostuu raudan kanssa ferrosulfideina hapettomissa sedimenteissä. Tästä syystä rautaa ei ole saatavilla sitomaan fosforia hapellisiin sedimenttikerroksiin, jolloin fosfori vapautuu meriveteen. Syvyyssuunnassa lisääntyivät Chloroflexi-pääjaksoon kuuluvat bakteerit, jotka olivat yleisiä keskisen Suomenlahden sedimentissä viimeisten 8000 vuoden aikana. Nämä bakteerit ovat todennäköisesti tärkeitä eloperäisen aineen loppuvaiheen hajotuksessa rehevöityneessä Itämeressä. Ilmeisesti Itämeressä eloperäisen aineen määrä on ollut suuri koko sen noin 8000 vuotisen historian aikana, mikä tekee Itämeren herkästi rehevöityväksi. Suolaisuuden ja hapettomuuden mittareina käytettävät uranium ja strontium selittivät bakteeriyhteisön muutoksen Litorina-merivaiheessa, joka oli Itämeren vaiheista suolaisin. Litorina-vaiheen yhteisöt erottuivat varhaisen ja myöhäisen Litorina-vaiheen yhteisöistä. Suolaisuuden aiheuttamat muutokset pohjan happipitoisuudessa selittivät myös sen, miksi bakteeriyhteisö, joka yksinkertaistui säännöllisesti syvyyssuunnassa, yhtäkkiä monipuolistui noin 6200−6600 vuotta vanhoissa Litorina-sedimenteissä. Keskisellä Suomenlahdella vesi on ollut tuolloin ilmeisesti suolaisimmillaan.
Subject: mikrobiekologia
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
sinkko_dissertation.pdf 1.046Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record