Bruk av innsjøsedimenter som historiske arkiv for undersøkelser av koblingen mellom planteplankton og miljøpåvirkning : en studie av Gonyostomum semens økende forekomst i norske innsjøer

Phytoplankton communities are affected as a result of changing environmental conditions in boreal lakes due to global climate change and local human activities. One species currently undergoing change and expansion is the alleged invasive microalga Gonyostomum semen (Raphidophyceae). Mass occurrences of this freshwater flagellate have been reported in Northern Europe since the 1940s, and has mainly been linked to humic lakes in forest covered catchments. The species is regarded as a nuisance due to its mucous blooms, which clog sampling hauls, and cause skin discomfort for swimmers. Focus and research on G. semen emerged in the last part of the 1900s, especially in Sweden, Finland and Norway, where it frequently dominated the phytoplankton community in a growing number of lakes. Nevertheless, knowledge of the drivers of this expansion and causes of the increasing bloom formations have not yet been established with certainty. The aim of this project was therefore to contribute to this knowledge. Our hypotheses were that 1. G. semen are in fact not invasive, but rather, are native to Norwegian lakes, 2. the sudden and recent appearance and dominance of G. semen in Norwegian lakes are a response to changing environmental conditions (Paper II and III) and 3. the changes that promote the expansion of G. semen occur at a regional level. These hypotheses were tested by using paleolimnological methods on a selection of sediment cores from several Norwegian lakes. The lakes had different characteristics in terms of chemistry and morphology, while all were located in the same climatic region. First, a suitable pigment biomarker was identified and a method established for its’ detection in lake sediment cores. The xanthophyll heteroxanthin was proven valid in several ways; the pigment was shown to be sufficiently species specific for the use in Norwegian lakes, and it was stable long enough to be preserved and detected in centuries old sediments, as well as to serve as a measure for relative development of G. semen concentrations in the sediment cores. This method was therefore applied to age determined sediment cores. Heteroxanthin concentrations were then compared to relevant parameters such as Nitrogen (N), Phosphorous (P), Carbon (C), Iron (Fe) and reconstructed lake color (absorbance, 410 nm), as well as the regional climate change variables temperature and precipitation. Based on the detection of heteroxanthin, we found that G. semen was a native inhabitant of some of these lakes, and that climate change was the overall driver of the current high population levels. However, climate change is also affecting terrestrial export of organic matter, which was also found to be important for the success of G. semen. Further, our results suggest that the lakes became better suitable habitats for G. semen at different time periods, probably depending on their initial trophic state, humic content of lakes and other local factors. These thresholds were most likely caused by browning and increased DOC concentrations, possibly forced by both climate change and/or local human land-use activities.Når miljøforhold i innsjøer endres som følge av globale klimaendringer og menneskelig aktivitet påvirker dette planteplanktonsamfunnet. Èn art som øker i utbredelse og mengde er ferskvannsalgen Gonyostomum semen (Raphidophyceae), som antas å være invaderende i nordlige deler av Europa. Denne flagellaten har dannet masseforekomster i disse områdene siden 1940-tallet, og har hovedsakelig blitt knyttet til humøse skogssjøer. Arten blir ansett som en problemalge grunnet den slimete biomassen som dannes. Dette slimet tetter prøvetakingsfiltre og har ved flere anledninger blitt rapportert å gi kløe til badegjester i både Norge og Sverige. Fokus og forskning på denne arten økte derfor i siste del av 1900-tallet, særlig i Sverige, Finland og Norge, hvor den ofte dominerte planteplanktonsamfunn, i et økende antall innsjøer. Likevel er årsakene til denne økende utbredelsen og de hyppige masseforekomstene enda ikke fullstendig kartlagt. Målet med dette prosjektet var derfor å bidra med kunnskap rundt disse forholdene. Våre hypoteser var at 1. G. semen er ikke en invaderende art, men naturlig forekommende i norske innsjøer, 2. økningen i forekomst var en respons på endrede miljøforhold, og ikke en invasjon, og 3. disse endringene foregikk på regionalt nivå. Vi testet disse hypotesene ved å bruke paleolimnologiske metoder på et utvalg norske innsjøer. Innsjøene hadde ulike egenskaper, men de var alle lokalisert i samme klimaregion. Vi etablerte en metode for deteksjon av en biomarkør som kunne påvise G. semen i sedimentkjerner fra innsjøer. Xanthophyllet heteroxanthin ble funnet velegnet på flere måter; det er tilstrekkelig artsspesifikk til benyttelse i norske innsjøer, stabilt nok til å bli bevart og påvist i århundregamle sedimenter, og det fungerer som et relativt mål på endringer i mengde hos G. semen i disse sedimentene. Denne metoden ble deretter benyttet på aldersbestemte sedimentkjerner fra innsjøene. Heteroxanthin ble testet mot relevante parametere som nitrogen (N), fosfor (P), karbon (C), jern (Fe) og rekonstruert innsjøfarge (absorbans ved 410 nm), i tillegg til regionale variabler for klimaendringer; temperatur og nedbør. Undersøkelsene viste at G. semen trolig var en naturlig del av planteplanktonet i flere av innsjøene så langt tilbake som 1800-tallet, og at klimaendringer som økende temperaturer og nedbør trolig var de viktigste årsakene til økningen som er observert særlig de siste 50 årene. Disse klimafaktorene forårsaker imidlertid også økt terrestrisk transport av organisk materiale, som også sannsynligvis var en viktig faktor. Videre viste resultatene at innsjøene ble velegnede habitat for G. semen på ulike tidspunkt, slik at populasjonene økte til påviselige mengder, enten de allerede hadde vært til stede over lengre tid, eller var nye etableringer. Disse ulike tidspunktene var trolig en effekt av innsjøenes utgangspunkt med hensyn til trofigrad, farge og ellers lokale forhold. Disse terskelverdiene som førte til påviselige menger G. semen på ulike tidspunkt er trolig forårsaket av økt farge og DOC konsentrasjoner. Disse endringene er igjen sannsynligvis forårsaket av både klimaendringer samt lokale, menneskelige påvirkninger og arealbruk

Resipientovervåking av utslipp fra Elstrøm renseanlegg, Skien, i 2022

Prosjektleder: Camilla H. Corneliussen HagmanPå oppdrag fra Skien kommune har NIVA laget et overvåkingsprogram for å møte kravene i utslippstillatelsen til Elstrøm renseanlegg som har neddykket utslipp til Farelva. Overvåkingen startet i 2022 og omfattet undersøkelser ved to referansestasjoner oppstrøms utslippet, to antatt påvirkede stasjoner samt en stasjon nedstrøms i større avstand til utslippet. Det ble undersøkt for begroing (heterotroft og alger), bunndyr, metaller i sedimenter og kjemisk vannkvalitet, i tillegg til planteplankton i den oppdemmede innsjøen Hjellevannet. Undersøkelsene viste ingen betydelige forskjeller mellom referansestasjonene og øvrige stasjoner, og god eller svært god tilstand for alle parametere bortsett fra bunndyr. Uegnede fysiske forhold for bunndyr ved de fleste stasjonene gjør at det ikke kan konkluderes med at dårlig tilstand for bunndyr er knyttet til påvirkning fra utslippet, men kan like gjerne være pga. mangel på egnet habitat. Det er derfor ingen ting i denne undersøkelsen som tyder på at Farelva, Hjellevannet eller Skienselva er påvirket i stor grad av utslippet til Elstrøm renseanlegg.Skien kommunepublishedVersio

Undersøkelse av innsjøresipienter fra Larvikittbruddene, fase 1 - 2022

Prosjektleder: Camilla H. Corneliussen HagmanTo innsjøer nedstrøms Larvikitt-bruddet i Tvedalen, Larvik kommune, ble i 2022 undersøkt for effekter av påvirkning fra steinbruddet på vannkvalitet, sedimenter, vannplanter og bunndyr. Undersøkelsen ble utført som en oppfølging av tidligere undersøkelser i 2007 og 2008. Resultatene tyder på at vannkvaliteten i innsjøene ikke er eutrofierte, og at turbiditeten er betydelig bedret, men at forholdene fremdeles tilsier signifikant partikkelpåvirkning i form av reduserte lysforhold for vannplanter, spesielt i Bålsrødvannet. I Torpevannet ble det funnet svært lite vannplanter uten opplagt årsak til dette, derfor kunne ikke effekter fra steinbruddet vurderes. Bunndyrundersøkelsene ga ingen opplagte svar på omfanget av evt. påvirkning fra steinbruddet. Resultatene fra 2022 tyder totalt sett på at Bålsrødvannet er mest, og fremdeles, preget av partikkelforurensning fra Tvedalen steinbrudd, men at forholdene er betydelig bedret siden 2007 og 2008.WSP Norge ASpublishedVersio

Growth responses of the nuisance algae Gonyostomum semen (Raphidophyceae) to DOC and associated alterations of light quality and quantity

In recent decades, the freshwater alga Gonyostomum semen (Ehrenberg) Diesing has increased in abundance and distribution, which has created problems regarding the use of lakes for drinking water and recreation. Increases in lake dissolved organic carbon (DOC; browning) and climate warming are among current hypotheses that explain the phenomenon of increased abundance of G. semen. A replicated, multifactorial laboratory experiment was performed in order to test the effects of DOC and light quality and irradiance on growth of G. semen in 96-well plates. Each well had a separate light source, creating a gradient of irradiance (10-140 µmol photons m-2 s-1) and wavelength (white, red, green and blue), combined with a DOC gradient (0-50 mg C l-1), all within representative ranges for the summer epilimnion in boreal waters. The experiment showed that growth of G. semen was significantly enhanced by the addition of DOC. No growth response relating to wavelengths was found, but where irradiance was inhibitory, a shading effect from DOC was evident. A composed response to increases in DOC suggests a versatility of G. semen that gives it a competitive advantage over other phytoplankton in humic lake ecosystems. Hence, further increases in abundance and bloom frequency of G. semen as browning continues in boreal lakes are to be expected.publishedVersio

Phytoplankton in humic and colored Nordic lakes

Concentrations of lake dissolved organic carbon (DOC) transported from catchments, with simultaneous browning, are currently increasing in boreal lakes, and predicted to continue in the future. This increased load of organic matter has several complex effects on lake physiology and chemistry. The most prominent effect in lakes is reduced light availability, which is the main driver for photosynthesis and lake primary production. This report is a review of the most significant effects from increased DOC and browning, and how these affect the phytoplankton community and shape the assembly of taxonomic groups in these lakes. The report is focused on Nordic lakes, in which the Raphidophyte Gonyostomum semen is not present or dominating. These humic lakes are mainly inhabited and dominated by species of Cryptophyta, Chrysophyceae and Bacillariophyceae (diatoms). Several lakes also have significant amounts of Dinophyta (dinoflagellates) while presence of Chlorophyta (green algae) is only occasionally pronounced. The common, and apparently beneficial traits of species in humic lakes, are the ability to adjust their position according to light availability, including vertical migration, as well as having the pigment composition that maximizes absorption of the available light. Some species are also mixotrophic, which is an advantage in reduced light conditions, where they instead may have better availability of organic energy sources. Several species are well adapted to conditions provided by high DOC concentrations and dark lake color. Still, they are likely to live under suboptimal conditions. It may therefore be, that the reason for their dominance in these lakes is in fact the lack of this ability or adaptation in other species.Konsentrasjonen av løst organisk karbon (dissolved organic carbon - DOC) transportert fra nedbørfelt øker sammen med farge i boreale innsjøer, og dette forutsies å fortsette fremover. Denne økte belastningen med organisk materiale har flere og komplekse effekter på innsjøenes fysiologiske og kjemiske forhold. Den mest fremtredende effekten i innsjøer er redusert lystilgjengelighet, som er den viktigste drivkraften for fotosyntese og primærproduksjon i innsjøer. Denne rapporten er en gjennomgang av de viktigste effektene på planteplanktonsamfunn ved økt DOC og farge i nordiske innsjøer, og hvordan disse effektene kan påvirke sammensetningen av taksonomiske grupper. Humøse innsjøer er hovedsakelig dominert av arter av algegruppene Cryptophyta, Chrysophyceae og Bacillariophyceae (kiselalger). Flere innsjøer også har betydelige mengder Dinophyta (dinoflagellater), mens det mer sjeldent er dominerende mengder Chlorophyta (grønnalger). Gruppene som finnes i slike innsjøer har til felles at de ofte er mobile, i tillegg til at mange utfører vertikal vandring, dermed kan de justere posisjon i forhold til lysmengde i vannsøylen. Andre felles egenskaper er en pigmentsammensetning som maksimerer absorpsjonen av det tilgjengelige lyset, samt evnen til benyttelse av alternative energikilder ved mangel på lys. I humøse sjøer vil disse algene ha bedre tilgjengelighet av organisk materiale, samtidig som bakteriebiomassen ofte øker. Flere arter er godt tilpasset forholdene ved høye DOC-konsentrasjoner og mørk innsjøfarge. Likevel lever de sannsynligvis under suboptimale forhold. Derfor kan årsaken til deres dominans i disse innsjøene faktisk være andre arters mangel på slike egenskaper, og ikke nødvendigvis deres egen overlegenhet

Phytoplankton in humic and colored Nordic lakes

Concentrations of lake dissolved organic carbon (DOC) transported from catchments, with simultaneous browning, are currently increasing in boreal lakes, and predicted to continue in the future. This increased load of organic matter has several complex effects on lake physiology and chemistry. The most prominent effect in lakes is reduced light availability, which is the main driver for photosynthesis and lake primary production. This report is a review of the most significant effects from increased DOC and browning, and how these affect the phytoplankton community and shape the assembly of taxonomic groups in these lakes. The report is focused on Nordic lakes, in which the Raphidophyte Gonyostomum semen is not present or dominating. These humic lakes are mainly inhabited and dominated by species of Cryptophyta, Chrysophyceae and Bacillariophyceae (diatoms). Several lakes also have significant amounts of Dinophyta (dinoflagellates) while presence of Chlorophyta (green algae) is only occasionally pronounced. The common, and apparently beneficial traits of species in humic lakes, are the ability to adjust their position according to light availability, including vertical migration, as well as having the pigment composition that maximizes absorption of the available light. Some species are also mixotrophic, which is an advantage in reduced light conditions, where they instead may have better availability of organic energy sources. Several species are well adapted to conditions provided by high DOC concentrations and dark lake color. Still, they are likely to live under suboptimal conditions. It may therefore be, that the reason for their dominance in these lakes is in fact the lack of this ability or adaptation in other species

Overvåking av vannforekomster i Ringsaker kommune i 2020

Rapporten klassifiserer miljøtilstanden i Kroksjøen og Sjusjøen i Ringsaker kommune i 2020 med hensyn til eutrofiering (overgjødsling). I tillegg gjøres en vurdering av miljøtilstanden i fire av innsjøenes tilløpselver og bekker. Stasjoner opp- og nedstrøms hyttefelt i to bekker med utløp til Aksjøen ble også undersøkt med hensyn til eutrofiering og organisk belastning. Her ble det gjort en vurdering av kilder til eutrofiering og organisk belastning utfra arealbruken i delnedbørsfeltene til stasjonene. Basert på mengden og sammensetningen av planteplankton, samt fysisk-kjemiske støtteparametere, ble innsjøene Kroksjøen og Sjusjøen vurdert til å være i hhv. moderat og dårlig økologisk tilstand. Miljømålet i vannforskriften om god økologisk tilstand ble dermed ikke oppnådd, og det synes å være behov for ytterligere tiltak for å begrense tilførslene av næringsstoffer (fosfor og nitrogen) til innsjøene. Undersøkelsen av fire bekker og elver i nedbørsfeltet til de to innsjøene viste at tre av fire elver/bekker hadde middelkonsentrasjoner av total-fosfor (tot-P) som tilsvarer moderat tilstand. Alle fire bekker/elver hadde middelverdier av fosfat som var høyere enn fosfat-konsentrasjoner målt i upåvirkede vassdrag. Stasjoner nedstrøms hyttefelt i de to bekkene med utløp til Aksjøen, hadde høyere middelkonsentrasjoner av tot-P og E. coli, enn referansestasjoner oppstrøms. Dette tyder på økt eutrofiering og organisk belastning nedstrøms hyttefelt. En sannsynlig kilde til dette er urenset avløp fra hyttefelt

Monitoring of Lake Vestvannet and Lake Borredalsdammen in Østfold County, SE Norway, 2017.

Prosjektleder Maia Røst KileGjennom vekstsesongen (mai-oktober) 2017 ble det gjennomført en overvåking av vannkvaliteten i Vestvannet og Borredalsdammen ved Fredrikstad. Rapporten gir funn fra inneværende år samt trender fra tidligere års overvåking. Det er lagt vekt på økologisk tilstand, egnethet som drikkevann, algesammensetning, cyanobakterier og algetoksiner. I både Vestvannet og Borredalsdammen viser resultatene en svak reduksjon i næringssalter. I Vestvannet har det i tillegg vært en reduksjon i algebiomasse og klorofyll, mens det i Borredalsdammen har vært en økning i de samme parameterne. Det ble observert lite cyanobakterier i vannene i 2017. Det er kun påvist microcystin ved ett tilfelle i Borredalsdammen i august 2017, godt under grenseverdiene for både drikkevann og badevann.Fredrikstad Vann, Avløp og Renovasjonsforetak (FREVAR KF)publishedVersio

Heteroxanthin as a pigment biomarker for <i>Gonyostomum semen</i> (Raphidophyceae)

The ability to identify drivers responsible for algal community shifts is an important aspect of environmental issues. The lack of long-term datasets, covering periods prior to these shifts, is often limiting our understanding of drivers responsible. The freshwater alga, Gonyostomum semen (Raphidophyceae), has significantly increased distribution and mass occurrences in Scandinavian lakes during the past few decades, often releasing a skin irritating slime that causes discomfort for swimmers. While the alga has been extensively studied, long-term data from individual lakes are often absent or greatly limited and drivers behind this species’ success are still not clear. However, if specific and persistent taxa biomarkers for G. semen could be detected in dated sediment cores, long-term data would be improved and more useful. To test for biomarkers, we examined the pigment composition of several G. semen strains in culture. Further, dated sediment core samples from Lake Lundebyvann, Norway, were used to test the pigments’ suitability as biomarkers in paleolimnological studies. Modifications to a common analysis allowed for the successful detection of the polar xanthophyll heteroxanthin and the non-polar chlorophyll a, as well as several other algal pigments by using high performance liquid chromatography-photometric diode arrays (HPLC-PDA). Heteroxanthin was confirmed by liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) and detected by HPLC-PDA in all examined G. semen strains, along with chlorophyll a. Using HPLC-PDA, we also identified and confirmed the presence of the biomarker, xanthophyll heteroxanthin, in sediment core samples up to 60 years of age. The specificity of this xanthophyll was also tested by examining a wide range of algal strains from common Norwegian phytoplankton species. Heteroxanthin was not detected in any species commonly occurring in significant amounts in Norwegian lakes. We therefore conclude that heteroxanthin is a suitable pigment biomarker for G. semen and that this pigment can be successfully used for paleolimnological studies.publishedVersio

Heteroxanthin as a pigment biomarker for Gonyostomum semen (Raphidophyceae)

The ability to identify drivers responsible for algal community shifts is an important aspect of environmental issues. The lack of long-term datasets, covering periods prior to these shifts, is often limiting our understanding of drivers responsible. The freshwater alga, Gonyostomum semen (Raphidophyceae), has significantly increased distribution and mass occurrences in Scandinavian lakes during the past few decades, often releasing a skin irritating slime that causes discomfort for swimmers. While the alga has been extensively studied, long-term data from individual lakes are often absent or greatly limited and drivers behind this species’ success are still not clear. However, if specific and persistent taxa biomarkers for G. semen could be detected in dated sediment cores, long-term data would be improved and more useful. To test for biomarkers, we examined the pigment composition of several G. semen strains in culture. Further, dated sediment core samples from Lake Lundebyvann, Norway, were used to test the pigments’ suitability as biomarkers in paleolimnological studies. Modifications to a common analysis allowed for the successful detection of the polar xanthophyll heteroxanthin and the non-polar chlorophyll a, as well as several other algal pigments by using high performance liquid chromatography-photometric diode arrays (HPLC-PDA). Heteroxanthin was confirmed by liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) and detected by HPLC-PDA in all examined G. semen strains, along with chlorophyll a. Using HPLC-PDA, we also identified and confirmed the presence of the biomarker, xanthophyll heteroxanthin, in sediment core samples up to 60 years of age. The specificity of this xanthophyll was also tested by examining a wide range of algal strains from common Norwegian phytoplankton species. Heteroxanthin was not detected in any species commonly occurring in significant amounts in Norwegian lakes. We therefore conclude that heteroxanthin is a suitable pigment biomarker for G. semen and that this pigment can be successfully used for paleolimnological studies