Fütoplankton järvede seisundi indikaatorina

A Thesis for applying for the degree of Doctor of Philosophy in Environmental Sciences and Applied Biology.Väitekiri filosoofiadoktori kraadi taotlemiseks keskkonnateaduste ja rakendusbioloogia erialal.According to Water Framework Directive (WFD), phytoplankton abundance, composition and bloom metrics should be used in lake ecological quality assessment. Phytoplankton is highly sensitive to environmental changes and can serve as an early warning parameter in water quality assessment. To quantify the response of phytoplankton communities to nutrient pressure, the metric should be robust. Still numerous confounding factors and even the adaptational plasticity of phytoplankton can compromise its indicator value and increase the uncertainty of assessment results. Therefore, the final assessment of the ecological quality needs to be based on multifaceted analysis of phytoplankton ecology. The aims of this study were to ascertain the main environmental factors determining the distribution and biomass of dominant phytoplankton species in the EU lakes, to analyze the suitability and strength of phytoplankton parameters and metrics for estimating the ecological status of lakes in EU lakes, and to exemplify the evaluation of phytoplankton metrics through uncertainty analyses of their response to eutrophication. Substantial effort was made within the EU 7th Framework Programme project WISER to collect consistent phytoplankton data across European lakes. These data was used in the present study to elaborate the best sampling procedures for lakes, test metrics in use, develop a common metric and study parameters which influence the distribution of dominant phytoplankton species and algal classes. The CCA ranked water colour, total phosphorous (TP) and alkalinity as the most important factors determining the large-scale distribution patterns of lake phytoplankton dominants in European lakes. During this study, strict sampling procedure was tested, wherein appeared, that single open water sampling location is generally sufficient for assessment of ecological quality of lakes. In this study three robust metrics are provided to assess the impact of eutrophication pressures.Euroopa Liidu Veepoliitika Raamdirektiivi (VRD) nõuete kohaselt tuleks veekogude ökoloogilise seisundi hindamisel kasutada fütoplanktoni näitajaid, mis iseloomustavad tema hulka ja koosseisu ning veeõitsengute sagedust ja intensiivsust. Fütoplankton on tundlik ja reageerib kiiresti veekogus toimuvatele muutustele. Survetegurite mõju hindamiseks peaks nende seos fütoplanktoni näitajatega olema piisavalt tugev ja stabiilne. Mitmed kõrvaltegurid ja koguni fütoplanktoni kohastumisvõime võivad seda seost häirida, mis suurendab määramatust ja vähendab fütoplanktoni indikaatorväärtust. Seetõttu peab järve seisundile antav lõpphinnang tuginema igakülgsele fütoplanktoni ökoloogia arvestamisele. Doktoritöö eesmärgiks oli välja selgitada peamised tegurid, mis mõjutavad fütoplanktoni dominantliikide levikut EL järvedes, analüüsida fütoplanktoni parameetrite sobivust ja tugevust hindamaks järvede ökoloogilist seisundit, ja testida eutrofeerumist iseloomustavaid fütoplanktoni näitajaid. EL 7. raamprogrammi projekti WISER raames koguti Euroopa järvedest kindla juhendi alusel suurel hulgal uusi fütoplanktoni andmeid. Nende andmete põhjal töötati käesolevas töös välja parim veeproovide kogumise kord, testiti näitajaid, mis olid juba varasemalt kasutusel, töötati välja ühine indeks ja uuriti dominantliikide, perekondade ja muude rühmade esinemist mõjutavaid tegureid. Üle-euroopalistel andmetel põhinev kanooniline korrespondentsanalüüs näitas, et kõige enam mõjutavad fütoplanktoni dominantliikide esinemist üldfosfori sisaldus vees, vee värvus ja üldaluselisus. Selle uurimuse käigus töötati välja kindel proovivõtu protokoll, mille käigus jõuti järeldusele, et üks avavee proov järves on tavaliselt hinnangu andmiseks piisav. Selles töös pakume välja kolm surveteguritest oluliselt sõltuvat indeksit, mida võiks kasutada veekogude seisundi hindamisel.Publication of this thesis is supported by the Estonian University of Life Sciences

Nitrogen in Estonian lakes – the trends and impacts on Cyanobacteria

• The relative role of N&P to control eutrophication in lakes is continuously debated (Schindler et al. 2008). • Estonian limnologists have been P-believers as the post-socialist sharp reduction of N loading brought back cyanobacterial blooms in Lake Peipsi (Nõges et al. 2005) • The long debate has not discredited the importance of P-Control, but displayed evidence on the significance of N reduction to recover lake ecosystems (Paerl et al. 2016) • Chemically reduced N forms, such as NH4 + and urea favour non-N-fixing cyanobacteria (McCarthy et al. 2009)This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 951963. Eesti Teadusagentuur / Estonian Research Council PRG 709, PRG 1167. Horizon 2020, European Union Funding fof Research & Innovation. Twinning CSA 951963.This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 951963. Eesti Teadusagentuur / Estonian Research Council PRG 709, PRG 1167. Horizon 2020, European Union Funding fof Research & Innovation. Twinning CSA 951963

Kliimamuutuste mõju uuring Eesti väikejärvedele

Ilmastikumuutused on väga laiahaardelised ja mõjutavad kõiki Maa ökosüsteeme. Ühe põhilise kasvuhoonegaasi, süsihappegaasi (CO2), kontsentratsioon võib 2050. aastateks kahekordistuda, ületades 700 ppm (George 2010) ning IPCC (Intergovernmental Panel of Climate Change 2018) andmetel võib selle sajandi lõpuks õhutemperatuur tõusta kuni 7 kraadi (Nõges, Nõges 2011), mis tähendab olulist survet nii maismaa kui ka vee ökosüsteemidele. Riigid seisavad silmitsi üha enam süvenevate probleemidega, kus kliimasurve ühelt poolt muudab kvaliteedinäitajate dünaamikaid ja teisalt raskendab veekogude hea ökoloogilise seisundi saavutamist. Mitmete stressorite koosmõju mõjutab tugevalt magevee ökosüsteeme, see kandub edasi toiduahela kaudu, mõjutades otseselt ökosüsteemi funktsioneerimist, dünaamikat ja struktuuri (Li et al. 2019). Eesti järvi on uuritud üle saja aasta, mis sobiks kliimast tingitud muutuste jälgimiseks ja selgitamiseks. Paraku tuleb aru saada, et järjepidevat aegrida uuringuandmetest saaks koostada ehk meie suurjärvede kohta. Pikem aegrida on ka Ülemiste kohta. Selle järve haldamine on erafirma käes ja andmete kasutamine teatavate piirangutega. Hiljuti valmis meie asutuse poolt tehtud Ülemiste järve käsitlev uurimus („Ülemiste järve limnoloogiline eksperthinnang“), mis sobib hästi antud projekti konteksti ja soovitame sellekohaseid tulemusi küsida aktsiaseltsilt Tallinna Vesi. Enamuse väikejärvede kohta on andmeid küll üsna varajasest ajast, st inventuurides möödunud sajandi 1920ndaist ja 1930ndaist, kuid enamasti on andmeid vaid ühekordsetest vaatlustest kasvuperioodil. Põhjalikke kompleksseid uuringuid tehti alates 1951. aastast, kuid taas uuriti erinevatel aastatel erinevaid järvi ja enamasti korra suvel. Väikejärvede püsivaatlusi alustati alles 1992. aastal hüdrobioloogilise seire käigus. Tollest ajast on siiani pidevas uurimises ainult kuus järve. Sellises olukorras saame teha ülevaateid suhteliselt lühikese aja jooksul ja väheste järvede kohta. See tähendab, et pigem saame käsitleda ilma mõju veekogudele ja saame esitada ekspertarvamusi kliima mõju kohta. Hindasime kliima ja ilma mõju kuue erineva väikejärve keemilise ja bioloogilise seisundi kujunemisele kasutades väikejärvede hüdrobioloogilise ja hüdrokeemilise varasemate uuringute raames kogutud andmeid ja uurimistulemusi. Järvede füüsikalis-keemiliste parameetrite ja elustiku dünaamika muutuste selgitamiseks kasutati väikejärvede hüdrobioloogilise ja hüdrokeemilise seire käigus kogutud andmeid ja eksperthinnanguid. Ilmastiku mõju hindamiseks kasutati Riigi Ilmateenistuse ajaloolisi andmeid õhutemperatuuri ja sademete kohta. Peamised küsimused, millele püüdsime vastust leida: - Millised on kliima ja ilma muutumise (keskmine õhutemperatuur, sademed ja neist tulenevad näitajad) otsesed ja kaudsed mõjud väikejärve ökosüsteemi funktsioneerimisele? - Muutuste ja põhjuste selgitamine ning tulevikustsenaariumite kirjeldamine. - Ettepanekute tegemine väikejärvede seisundi säilitamiseks. Võimalusel tehakse prognoose järvede kliimamuutustega kohanemiseks

Strength and uncertainty of phytoplankton metrics for assessing eutrophication impacts in lakes

Phytoplankton constitutes a diverse array of short-lived organisms which derive their nutrients from the water column of lakes. These features make this community the most direct and earliest indicator of the impacts of changing nutrient conditions on lake ecosystems. It also makes them particularly suitable for measuring the success of restoration measures following reductions in nutrient loads. This paper integrates a large volume of work on a number of measures, or metrics, developed for using phytoplankton to assess the ecological status of European lakes, as required for the Water Framework Directive. It assesses the indicator strength of these metrics, specifically in relation to representing the impacts of eutrophication. It also examines how these measures vary naturally at different locations within a lake, as well as between lakes, and how much variability is associated with different replicate samples, different months within a year and between years. On the basis of this analysis, three of the strongest metrics (chlorophyll-a, phytoplankton trophic index (PTI), and cyanobacterial biovolume) are recommended for use as robust measures for assessing the ecological quality of lakes in relation to nutrient-enrichment pressures and a minimum recommended sampling frequency is provided for these three metrics

Effects of multiple stressors on cyanobacteria abundance vary with lake type

Blooms of cyanobacteria are a current threat to global water security that is expected to increase in the future because of increasing nutrient enrichment, increasing temperature and extreme precipitation in combination with prolonged drought. However, the responses to multiple stressors, such as those above, are often complex and there is contradictory evidence as to how they may interact. Here we used broad scale data from 494 lakes in central and northern Europe, to assess how cyanobacteria respond to nutrients (phosphorus), temperature and water retention time in different types of lakes. Eight lake types were examined based on factorial combinations of major factors that determine phytoplankton composition and sensitivity to nutrients: alkalinity (low and medium‐high), colour (clear and humic) and mixing intensity (polymictic and stratified). In line with expectations, cyanobacteria increased with temperature and retention time in five of the eight lake types. Temperature effects were greatest in lake types situated at higher latitudes, suggesting that lakes currently not at risk could be affected by warming in the future. However, the sensitivity of cyanobacteria to temperature, retention time and phosphorus varied among lake types highlighting the complex responses of lakes to multiple stressors. For example, in polymictic, medium‐high alkalinity, humic lakes cyanobacteria biovolume was positively explained by retention time and a synergy between TP and temperature while in polymictic, medium‐high alkalinity, clear lakes only retention time was identified as an explanatory variable. These results show that, although climate change will need to be accounted for when managing the risk of cyanobacteria in lakes, a ‘one‐size fits‐all’ approach is not appropriate. When forecasting the response of cyanobacteria to future environmental change, including changes caused by climate and local management, it will be important to take this differential sensitivity of lakes into account

Nitrogen and its expected impacts in Estonian lakes : [poster]

• The relative role of N&P to control eutrophication in lakes is continuously debated (Schindler et al. 2008). • Estonian limnologists have been P-believers as the post- socialist sharp reduction of N loading brought back cyanobacterial blooms in Lake Peipsi (Nõges et al. 2005) • The long debate has not discredited the importance of P- control, but displayed evidence on the significance of N reduction to recover lake ecosystems (Paerl et al. 2016) • Chemically reduced N forms, such as NH4+ and urea favour non-N-fixing Cyanos (McCarthy et al. 2009) • Agriculture has intensified and the application of mineral fertilisers in Estonia has increased in the recent decade (Nõges et al. 2022)The presentation took place at the 11th International Shallow Lakes Conference.This study was funded by the Estonian Research Council grants PRG709, and PRG1167. This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 951963.This study was funded by the Estonian Research Council grants PRG709, and PRG1167. This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 951963

Lake Peipsi 2019 (Phytoplankton samples)

Method: Phytoplankton samples were preserved in Lugol’s (acidified iodine) solution and counted under an inverted microscope (Utermöhl, 1958). 3-10 ml of preserved sample was settled overnight and counted in random fields or transects. Biovolumes of algal cells, colonies and/or filaments were calculated using assigned geometric shapes dimensions, and converted to biomass assuming the specific density of 1 g cm-3 in accordance with Edler (1979). Approved by CEN on 14 July 2006 “Water quality - Guidance standard on the enumeration of phytoplankton using inverted microscopy (Utermöhl technique)” (CEN 15204, 2006) European Standard EN 15204:2006 Utermöhl, H., 1958. Zur Vervollkommnung der quantitativen Phytoplankton-Methodik. Mitteilungen der Internationale Vereinigung für Theoretische und Angewandte Limnologie 9, 1- 38. Edler, L. (ed.), 1979. Recommendations on methods for marine biological studies in the Baltic Sea. Phytoplankton and chlorophyll. Baltic Marine Biologists WG 9. Leg: K. Blank, K. Palmik-Das, L. Tuvikene, A. Tuvikene; det: K. Maileh

Järvede seisundi parandamiseks vajalike uuringute teostamine ja meetmekavade väljatöötamine : projekti lõpparuanne : Pullijärve meetme- ja tegevuskava

Euroopa Liidu Veepoliitika Raamdirektiiv (VRD) reguleerib vee kasutamise ja selle hea seisundi säilitamisega seotud seaduseid ning regulatsioone liikmesriikides. Vesi on hindamatu ressurss, mistõttu nõuab dokument liikmesriikidelt pingutusi ja tegevusi, et saavutada pinnavete hea keemiline ja ökoloogiline seisund. Pullijärv1 on pehme ja heleda veega eutrofeerunud oligotroofne järv ning siin elavad mitmed haruldased looduskaitsealused liigid. Lisaks on järv olulise rekreatsioonilise väärtusega kohalike seas. Viimaste uuringute käigus on järve ökoloogiline seisund olnud kesine ja mitmed kvaliteedinäitajad on oluliselt halvenenud. Seetõttu on vajalik uurida “mittehea” seisundi põhjuseid ja töötada välja tõhusad meetmed järve seisundi parandamiseks. Eesti Maaülikool esitas Keskkonnainvesteeringute Keskuse (KIK) poolt läbiviidud taotlusvooru projekti nr 14705 “Järvede seisundi parandamiseks vajalike uuringute teostamine ja meetmekavade väljatöötamine” taotluse, mis rahastati pooles mahus. Läbirääkimiste tulemusel kooskõlastati uus lähteülesanne Keskkonnaameti poolt 28.09.2018. a (nr 7-18/18/3808-6). Uus lähteülesanne keskendub Pullijärve (VEE2155200) mittehea seisundi põhjuste väljaselgitamisele. Uuringute käigus selgitati olemasolevate andmete alusel Pullijärve seisundi dünaamikat alates 1950. aastatest tänapäevani, uuriti sise- ja väliskoormust ning pakuti välja meetmed järve seisundi parandamiseks. Uurimismeetodid, mida kasutati hüdrokeemilistel analüüsidel ja elustiku uuringutel, on standardiseeritud või interkalibreeritud ja vastavad seadustes äratoodud nõuetele ning nendega on võimalik tutvuda põhjalikumalt töö metoodika peatükkides. Parameetrite seisundi klassipiirid pärinevad keskkonnaministri määrusest nr 44 (Pinnaveekogumite…, 2009). Töö eesmärk on välja töötada meetme- ja tegevuskava Pullijärve hea ökoloogilise seisundi saavutamiseks järgmise veemajanduskava perioodi jooksul (2020-2027). Uuringu lõpparuanne koosneb kahest osast: Esimeses osas (järve seisundi dünaamika) antakse ülevaade Pullijärve funktsioneerimisest ja kvaliteedielementide dünaamikast. Esitatakse välis- ja sisekoormuse uuringute tulemused. Teises osas (meetme- ja tegevuskava) kirjeldatakse kliima mõju pehme- ja heledaveelisele järvele, antakse ülevaade ökosüsteemiteenustest ning pakutakse välja meetme- ja tegevuskava koos ajakavaga. Uuringut viisid läbi ja aruande koostasid Eesti Maaülikooli Põllumajandus- ja keskkonnainstituudi Hüdrobioloogia ja kalanduse õppetooli teadlased: prof. Ingmar Ott, Ph.D. (vastutav täitja), M.Sc. Ronald Laarmaa, M.Sc. Kairi Maileht, Ph.D. Sirje Vilbaste, Ph.D. Margot Sepp, M.Sc. Katrin Saar, Ph.D Henn Timm, M.Sc. Anu Palm ja Katrin Ott

Directive Cadre Européenne sur l'Eau Rapport technique d'intercalibration : méthodes d'évaluation de l'état écologique des lacs par le phytoplancton région Centrale Baltique

One of the key actions identified by the Water Framework Directive (WFD; 2000/60/EC) is to develop ecological assessment tools and carry out a European intercalibration (IC) exercise. The aim of the Intercalibration is to ensure that the values assigned by each Member State to the good ecological class boundaries are consistent with the Directive’s generic description of these boundaries and comparable to the boundaries proposed by other MS. In total, 83 lake assessment methods were submitted for the 2nd phase of the WFD intercalibration (2008-2012) and 62 intercalibrated and included in the EC Decision on Intercalibration (EC 2013). The intercalibration was carried out in the 13 Lake Geographical Intercalibration Groups according to the ecoregion and biological quality element. In this report we describe how the intercalibration exercise has been carried out in the Central Baltic Lake Phytoplankton IC group