Naturtypsbestämning av utsjöstationer i Bottniska viken

Fyra utsjöstationer, som ingår i den nationella miljöövervakningen i Bottniska viken, har i denna undersökning naturtypsbestämts enligt art- och habitatdirektivets naturtyper och EUNIS/HUB. Stationerna provtogs med Van Veen huggare och den taxonomiska analysen utfördes på lab. För utsjö finns tre möjliga Natura 2000-naturtyper: 1110 sandbankar, 1170 rev och 1180 bubbelstrukturer. Ingen av de fyra stationerna passade beskrivningen av några av dessa tre möjligheter och klassades därmed inte som naturtyp enligt habitatdirektivet. Alla stationer hade lerigt sediment (>90%) med inslag av lite sand, silt eller noduler. Vid alla stationer dominerade amphipod-arterna Monoporeia affinis och/eller Pontoporeia femorata och stationerna bedömdes som ABH3N1 baltisk afotisk lerigt sediment dominerad av Monoporeia affinis och/ eller Pontoporeia femorata.Four offshore monitoring stations in the Gulf of Bothnia were in this study classified according to the Habitat Directive and EUNIS/ HUB. The stations were sampled with Van Veen grab and later taxonomically analyzed in the laboratory. For offshore stations there are three possible Natura2000 types: 1110 sandbanks, 1170 reefs and 1180 submarine structures made by leaking gases. None of the stations could fit the descriptions of any of these Natura 2000 habitat types. The sediment at all four stations was mostly clay (>90%) with elements of sand and silt and ferromanganese concretions. At all stations the amphipod species Monoporeia affinis and/or Pontoporeia femorata dominated the biomass. The EUNIS/HELCOM HUB classification for all stations was ABH3N1 Baltic aphotic muddy sediment dominated by Monoporeia affinis and/or Pontoporeia femorata

Metabolic fingerprinting applied in diatom taxonomy

The main aim of this thesis was to investigate if and how metabolic fingerprinting can be applied in diatom taxonomy. Even though both morphology and gene sequences have been shown to be appropriate tools in diatom taxonomy there are cases where these give contradicting results, like in the case of cryptic species. Cryptic species have similar morphology but are genetically different. Another issue with these two tools is that they do not offer much information about the function of a species, information that is interesting in light of for example ecology and management. Metabolomics investigates the metabolites synthesized by an organism. The metabolites synthesized at a certain moment in time will be a reflection of what genes are expressed at that time and will be a product of the organisms response to the environmental and biological conditions prevailing. Direct injection mass spectrometry was used to investigate the metabolic fingerprints of different, commonly occurring, northern diatom species. The method produces mass-to-charge ratios (markers) normally with a mass precision of four decimals. Reproducibility of the method was 80% with the direct injection method applied, using a decimal precision of 0.1. The results of the analysis showed that the different species shared between 26-67% of the total markers. Even species of the same genera showed a high diversity. The two species Chaetoceros furcellatus and Chaetoceros socialis only shared 30% of the total markers. For four out of six species the difference between species increased with decreasing temperature. The expected phylogeny of these six species could not be reflected by the metabolite data. Cryptic diversity has been documented within the so-called cosmopolitan species Chaetoceros socialis. We investigated this diversity between strains collected from two geographic areas; the northeast Atlantic and Arctic and from Mediterranean waters. Monoclonal cultures were cultivated at three different temperatures, and analyzed with the aid of morphology, LSU rRNA sequencing, growth rates, photosynthetic maximum quantum yield and metabolic fingerprinting. Comparison of gene sequences of the two groups showed an unequivocal difference, while only small morphological differences in spore morphology (not in the morphology of the vegetative cells) could be found between the two groups. At all three temperatures there were clear differences in growth and maximum quantum yield. The results from the metabolic fingerprinting also supported these findings. The clear genetic as well as functional differences does not support the cosmopolitan distribution of C. socialis and we therefore conclude that this species should be revised. The results, both from the comparison of metabolic fingerprinting between diatom species as well as within a pseudo cryptic diatom species, in my opinion, is in support of the use of metabolomics in diatom taxonomy. Our results underline the need of metadata, e.g. growth rates, in metabolomics studies. I also think that increased knowledge of functional traits of species, like metabolomics, could be implemented in ecological modeling, building a bridge between taxonomy and ecology. The results of this thesis are also relevant to bioprospecting. The higher chemical diversity between species found at the lower temperatures, would indicate that it could be beneficial to cultivate diatoms at low temperatures, close to zero, in search for bioactivities

Strategi för kontrollerande övervakning av Bottenhavets vattendistrikt

Ett pelagialprogram har tagits fram för övervakning i relativt opåverkade referensområden i kustvattentyperna 16 t.o.m.19 i Bottemhavet. Programmet bör kunna ligga till grund för uppföljning av internationella, nationella och regionala miljömål samt följa upp ekologisk status. Den rumsliga variationen samt mellanårsvariationen hos pelagiala variabler i Bottenhavsområdet har använts som utgångspunkt för att beräkna provtagningsbehovet. Det föreslagna programmet innebär att mellan 48 och 60 provtagningar årsperiod, varefter ekologisk status kan bedömas. Designen gör det möjligt att med 80 % säkerhet bedöma ekologisk status med mätdata som ligger minst 20 % från klassgränserna. Mätprogrammet är designat för provtagningar -årsperiod. Stationer har slumpats ut i de olika typerna, och förslag på årliga provtagningslokaler anges i rapporten. Eftersom djupet vid de olika stationerna varierar, bör de flesta pelagiala variablerna provtas vid ett diskret djup i övre delen av vattenmassan, t.ex. 1 m djup. Av vetenskapliga och ekonomiska skäl är det viktigt att pelagialprogrammet samordnas för hela Bottenhavet. För mjukbottenfauna bedöms det befintliga integrerade programmet för trendanalys i Bottenhavet kunna tillgodose Vattendirektivets behov för kontrollerande övervakning i distriktet. Detta under förutsättning att Sundsvallsbuktens program fortsätter och att de nya nationella och regionala provtagningsområdena i södra Bottenhavet (Gräsö) etableras och drivs. Dimensioneringen av nuvarande nationellt och regionalt bottenfaunaprogram och områdesövervakning men har även visat sig vara väl anpassat för bedömningar inom ramen för Vattendirektivet. Enligt bedömningsgrunden bör minst 5 stationer användas för klassning av ekologisk status. Dessa stationer måste dock inte ligga inom samma vattenförekomst, utan kan vara lokaliserade i angränsande vattenförekomster. Den ekologiska statusen för mjukbottenfauna i enskilda vattenförekomster klassas genom extrapolering med hjälp av data från närbelägna områden med liknande bottenmiljö och påverkansgrad. Befintlig fiskebeståndsövervakning föreslås fortlöpa för att möjliggöra uppföljning av förändringar. En utökning av antalet övervakningsområden föreslås dock för att upprätta minst ett referensområde per inre och yttre kustvattentyp. En kombination av stratifierad och slumpmässig övervakning av fiskebestånden enligt nuvarande strategi föreslås, där djupintervallen stratifieras medan stationerna slumpas ut i respektive djupintervall. Provfiske och provtagning för miljögiftsanalys av fisk bör samordnas till samma provtagningstillfälle. Vidare bör den modell för samfinansiering och samordning som idag tillämpas av kustlänen i Bottniska viken för övervakning av fiskbestånd, samt och miljögiftsövervakning av fisk, fortlöpa även framöver. De ämnen som ingår i det pågående nationella programmet för miljögifter i fisk bör mätas även i de nya föreslagna områdena. När EU:s dotterdirektiv för prioriterade ämnen är beslutat och Vattenmyndigheterna fastställt miljökvalitetsnormer för särskilda förorenande ämnen, bör en översyn göras och ytterligare ämnen som är aktuella för Bottenhavet införlivas i övervakningsprogrammet. Miljögiftsövervakning i fisk bedöms kunna mätas med ett maximalt avstånd på 75 km mellan stationsområdena. Bedömning och extrapolera mätvärdena. För samtliga delprogram har en grova uppskattningar av kostnader för genomförandet gjorts.Projektet är ett samarbete mellan Länsstyrelserna i Norrbotten, Västerbotten, Västernorrland och Gävleborg och Umeå Marina Forskningscentrum och finansieras av Naturvårdsverket.</p

Metabarcoding vs Microscopy - comparison of methods to monitor phytoplankton communities

Phytoplankton are used worldwide to monitor environmental status in aquatic systems. Long-time series of microscopy-analyzed phytoplankton are available from many monitoring stations. The microscopy-method is however time consuming and has short-comings. DNA metabarcoding has been suggested as an alternative method, but the consistency between different methods need further investigation. We performed a comparative study of microscopy and metabarcoding analyzing micro- and nanophytoplankton. For metabarcoding, 25-1000 ml seawater were filtered, DNA extracted and the 18S and 16S rRNA gene amplicons sequenced. For microscopy, based on the Utermöhl method we evaluated the use of three metrics: abundance, biovolume and carbon biomass. At the genus, species, and unidentified taxa level, metabarcoding generally showed higher taxonomic diversity than microscopy, and diversity was already captured at the lowest filtration volume tested, 25 ml. Metabarcoding and microscopy displayed relatively similar distribution pattern at the group level. The results showed that the relative abundances of the 18S rRNA amplicon at the group level best fitted the microscopy carbon biomass metric. The results are promising for implementing DNA metabarcoding as a complement to microscopy in phytoplankton monitoring, especially if databases would be improved and group level indexes could be applied to classify the environmental state of water bodies.Originally included in thesis in manuscript form. </p

The Effect of Freeze/Thaw Cycles on Reproducibility of Metabolic Profiling of Marine Microalgal Extracts Using Direct Infusion High-Resolution Mass Spectrometry (HR-MS)

During normal sample preparation, storage in freezers and subsequent freeze/thaw cycles are commonly introduced. The effect of freeze/thaw cycles on the metabolic profiling of microalgal extracts using HR-MS was investigated. Methanolic extracts of monocultures of Arctic marine diatoms were analyzed immediately after extraction, after seven days of storage at −78 °C (one freeze/thaw cycle), and after additional seven days at −20 °C (two freeze/thaw cycles). Repeated direct infusion high-resolution mass spectrometry analysis of microalgae extracts of the same sample showed that reproducibility was ca. 90% when a fresh (unfrozen) sample was analyzed. The overall reproducibility decreased further by ca. 10% after the first freeze/thaw-cycle, and after one more freeze/thaw cycle the reproducibility decreased further by ca. 7%. The decrease in reproducibility after freeze-thaw cycles could be attributed to sample degradation and not to instrument variability

Chemical Diversity as a Function of Temperature in Six Northern Diatom Species

In this study, we investigate how metabolic fingerprints are related to temperature. Six common northern temperate diatoms (Attheya longicornis, Chaetoceros socialis, Chaetoceros furcellatus, Porosira glacialis, Skeletonema marinoi, and Thalassiosira gravida) were cultivated at two different temperatures, 0.5 and 8.5 °C. To exclude metabolic variations due to differences in growth rates, the growth rates were kept similar by performing the experiments under light limited conditions but in exponential growth phase. Growth rates and maximum quantum yield of photosynthesis were measured and interpreted as physiological variables, and metabolic fingerprints were acquired by high-resolution mass spectrometry. The chemical diversity varied substantially between the two temperatures for the tested species, ranging from 31% similarity for C. furcellatus and P. glacialis to 81% similarity for A. longicornis. The chemical diversity was generally highest at the lowest temperature