Ecological processes underlying community assembly of aquatic bacteria and macroinvertebrates under contrasting climates on the Tibetan Plateau

Understanding the role of climatic variation on biodiversity is of chief importance due to the ongoing biodiversity loss and climate change. Freshwaters, one of the most threatened ecosystems in the world, offer a valuable context to study biodiversity patterns of distinct organism groups in relation to climatic variation. In the Tibetan Plateau biodiversity hotspot, we studied the effects of climate and local physico-chemical factors on stream microorganisms (i.e. bacteria) and macroorganisms (i.e. macroinvertebrates) in two parallel catchments with contrasting precipitation and temperature. Diversities and community structures were better explained by climatic and local environmental variables in the drier and colder catchment and at higher elevations, than in the warmer and wetter conditions and at lower elevations. This suggests that communities may be more strongly assembled by deterministic processes in the former, comparatively harsher conditions, compared to the latter, more benign conditions. Macroinvertebrates were more strongly affected by climatic and local environmental factors compared to bacteria, but the diversities and community structures of the two groups showed spatially similar responses to overall abiotic variation, being especially evident with their community structures’ responses to climate. Furthermore, bacterial and macroinvertebrate diversities were positively correlated in the drier and colder catchment, implying that these biologically and ecologically distinct organism groups are likely to be driven by similar processes in areas with such climatic conditions. We conclude that changes in climatic and local environmental conditions may affect the diversity of macroorganisms more strongly than that of microorganisms, at least in subtropical mountainous stream ecosystems studied here, but simultaneous responses of both groups to environmental changes can also be expected.Peer reviewe

Niche position drives interspecific variation in occupancy and abundance in a highly-connected lake system

Highlights • We studied interspecific variation in occupancy and abundance of freshwater species. • Occupancy and abundance correlated positively for both diatoms and macroinvertebrates. • Niche position had clearest effects on variation in occupancy and abundance. • The more marginal the niche position, the rarer a species is.We examined how niche position, niche breadth, biological traits and taxonomic relatedness affect interspecific variation in occupancy and abundance of two commonly-used biological indicator groups, i.e. diatoms and macroinvertebrates. We studied 291 diatom and 103 macroinvertebrate species that occupied the littoral zones of a large (305 km2) highly-connected freshwater system. We collated information on the biological traits and taxonomic relatedness of each species. Using principal coordinates analysis, we formed biological trait and taxonomic vectors describing distances between species and used the resulting vectors as predictor variables. As environmental data, we had site-specific physico-chemical variables, which were used in outlying mean index analyses to determine the niche position and niche breadth of each species. We used linear models to study if and how these two niche parameters and biological traits as well as taxonomic relatedness affected occupancy and abundance. We observed positive occupancy-abundance relationships for both diatoms and macroinvertebrates. We further found that, for both groups, occupancy was better explained by the predictor variables compared with abundance. We also observed that niche parameters, especially niche position, were the main determinants of variation in occupancy and abundance for both diatoms and macroinvertebrates. Local abundances of diatom and macroinvertebrate species were also, to a small degree, affected by biological traits or taxonomic relatedness. We further saw that the relationship between niche position and occupancy was negative, indicating that the more marginal the niche position, the rarer a species is. Our findings provide support for the use of diatoms and macroinvertebrates as ecological indicators as their occupancies and abundances were affected by niche parameters, which is not necessarily always clear in challenging study systems with high connectivity (i.e. high movement of material and species) among sites. These findings also suggest that indices using information on species’ occupancy, abundance and niche requirements are useful in environmental assessment

Bacterial metacommunity organization in a highly connected aquatic system

The spatial structure and underlying assembly mechanisms of bacterial communities have been studied widely across aquatic systems, focusing primarily on isolated sites, such as different lakes, ponds and streams. Here, our main aim was to determine the underlying mechanisms for bacterial biofilm assembly within a large, highly connected lake system in Northern Finland using associative methods based on taxonomic and phylogenetic alpha-and beta-diversity and a large number of abiotic and biotic variables. Furthermore, null model approaches were used to quantify the relative importance of different community assembly processes. We found that spatial variation in bacterial communities within the lake was structured by different assembly processes, including stochasticity, species sorting and potentially even dispersal limitation. Species sorting by abiotic environmental conditions explained more of the taxonomic and particularly phylogenetic turnover in community composition compared with that by biotic variables. Finally, we observed clear differences in alpha diversity (species richness and phylogenetic diversity), which were to a stronger extent determined by abiotic compared with biotic factors, but also by dispersal effects. In summary, our study shows that the biodiversity of bacterial biofilm communities within a lake ecosystem is driven by within-habitat gradients in abiotic conditions and by stochastic and deterministic dispersal processes.Peer reviewe

Climate mediates continental scale patterns of stream microbial functional diversity

Background Understanding the large-scale patterns of microbial functional diversity is essential for anticipating climate change impacts on ecosystems worldwide. However, studies of functional biogeography remain scarce for microorganisms, especially in freshwater ecosystems. Here we study 15,289 functional genes of stream biofilm microbes along three elevational gradients in Norway, Spain and China. Results We find that alpha diversity declines towards high elevations and assemblage composition shows increasing turnover with greater elevational distances. These elevational patterns are highly consistent across mountains, kingdoms and functional categories and exhibit the strongest trends in China due to its largest environmental gradients. Across mountains, functional gene assemblages differ in alpha diversity and composition between the mountains in Europe and Asia. Climate, such as mean temperature of the warmest quarter or mean precipitation of the coldest quarter, is the best predictor of alpha diversity and assemblage composition at both mountain and continental scales, with local non-climatic predictors gaining more importance at mountain scale. Under future climate, we project substantial variations in alpha diversity and assemblage composition across the Eurasian river network, primarily occurring in northern and central regions, respectively. Conclusions We conclude that climate controls microbial functional gene diversity in streams at large spatial scales; therefore, the underlying ecosystem processes are highly sensitive to climate variations, especially at high latitudes. This biogeographical framework for microbial functional diversity serves as a baseline to anticipate ecosystem responses and biogeochemical feedback to ongoing climate change.Peer reviewe

Interlaboratory comparison 04/2022 – Benthic diatoms

Proftest SYKE carried out for the first time an interlaboratory comparison (ILC) on the identification of benthic diatoms in lakes and rivers in spring 2022. Diatom species identification was performed from digital photographs and videos of altogether 30 samples. There were 11 participants in this ILC. The participants of this ILC were experienced in the identification of benthic diatoms as 82% of the participants received satisfactory result. There was no unsatisfactory performance. All participants identified correctly 47% of the samples. Challenges in the identification were connected to the availability of the newest diatom identification literature recommended for the ILC and on the use of the newest taxon names. The used approach in the ILC showed to be suitable when epilithic diatoms are identified for research or monitoring purposes. Warm thanks to all participants in this ILC! Vertailumittaus 04/2022: Pohjan piilevät Proftest SYKE järjesti keväällä 2022 ensimmäistä kertaa pohjoisten virtavesien ja järvien pohjien piilevien lajitason tunnistamisosaamisen vertailumittauksen. Vertailumittauksessa lajintunnistus tehtiin digitaalisista näytteistä (yhteensä 30 näytettä) ja siihen osallistui yhteensä 11 määrittäjää. Vertailumittauksen tulosten perusteella osallistujat olivat kokeneita pohjan piilevien lajintunnistuksessa, sillä osallistuneista 82 % ylsi hyväksyttävään tulokseen (90 % taksoneista oikein määritetty). Yhtään ei-hyväksyttävää suoritusta ei ollut. Kaikki osallistujat tunnistivat taksonit oikein 47 % näytteistä. Tunnistuksen haasteet liittyivät vertailumittauksessa suositellun uusimman pohjan piileviin liittyvän määrityskirjallisuuden sekä taksonien uusimpien nimien käyttöön. Vertailumittauksessa käytetty menettelytapa osoittautui sopivaksi kivien päällä esiintyvien piilevien tunnistamisessa tutkimuksia tai seurantoja varten. Kiitos vertailumittauksen osallistujille

Dispersal-niche continuum index : a new quantitative metric for assessing the relative importance of dispersal versus niche processes in community assembly

Patterns in community composition are scale-dependent and generally difficult to distinguish. Therefore, quantifying the main assembly processes in various systems and across different datasets has remained challenging. Building on the PER-SIMPER method, we propose a new metric, the dispersal-niche continuum index (DNCI), which estimates whether dispersal or niche processes dominate community assembly and facilitates the comparisons of processes among datasets. The DNCI was tested for robustness using simulations and applied to observational datasets comprising organismal groups with different trophic level and dispersal potential. Based on the robustness tests, the DNCI discriminated the respective contribution of niche and dispersal processes in pairwise comparisons of site groups with less than 40% and 30% differences in their taxa and site numbers, respectively. In the observational datasets, the DNCI suggested that dispersal rather than niche assembly was the dominant assembly process which, however, varied in intensity among organismal groups and study contexts, including spatial scale and ecosystem types. The proposed DNCI measures the relative strength of community assembly processes in a way that is simple, easily quantifiable and comparable across datasets. We discuss the strengths and weaknesses of the DNCI and provide perspectives for future research.Peer reviewe

Maa- ja metsätalouden kuormittamien pintavesien tila – MaaMet-seuranta 2008–2020

Maatalous ja metsätalous vaikuttavat Suomen vesistöjen tilaan laaja-alaisesti. Maatalouden vesistövaikutukset ovat seurausta etenkin vuotuisista lannoituksista ja maanmuokkauksesta. Metsätalouden vesistövaikutukset taas johtuvat erityisesti valuma-alueiden ojituksista ja uomien perkaamisesta sekä hakkuista. Molemmilla sektoreilla tehokas maankuivatus ja maaperän muokkaus aiheuttavat ravinteiden, kiintoaineen ja humuksen hajakuormitusta vesistöihin. Hajakuormituksen vesistövaikutukset ilmenevät rehevöitymisenä ja vesistöjen tummumisena, uomien liettymisenä ja ekologisen tilan heikkenemisenä. EU:n vesipuitedirektiivi edellyttää vesistövaikutusten seurantaa, jos maankäytön aiheuttama hajakuormitus muodostaa merkittävän riskin sille, että hyvän ekologisen tilan ympäristötavoitetta ei saavuteta. Maatalouden ja metsätalouden hajakuormituksen vaikutuksia vedenlaatuun ja vesien ekologiseen tilaan on seurattu valtakunnallisesti vuodesta 2008 lähtien yli sadan järvi- ja jokikohteen muodostaman ns. MaaMet-seurantaverkon avulla. Raporttiin koottiin MaaMet-seurantaohjelman vuosien 2008–2020 seurannan tulokset. Työn pääpaino on ekologisen tilan, vedenlaadun ja biologisten tekijöiden, ja maankäytön välisten yhteyksien sekä ajallisen vaihtelun tarkastelussa. Tilan arviointi perustui vesienhoidon kolmannen suunnittelukierroksen luokittelukriteereihin. Seurantaverkon tulokset rinnastettiin ihmistoiminnan vähiten vaikuttamien ympäristöhallinnon seurantakohteiden tuloksiin. Maatalousalueiden jokia ja -järviä luonnehtivat korkeat ravinnepitoisuudet, selvästi muuttuneet biologiset yhteisöt ja heikentynyt ekologinen tila. Valuma-alueen peltoisuus selitti merkittävästi vedenlaadun ja biologisten muuttujien vuosien 2008–2020 keskimääräistä tilaa. Peltojen suurempi osuus valuma-alueella johti heikompaan vedenlaatuun ja ekologiseen tilaan. Metsätalousalueiden jokikohteilla ja järvissä tapahtuneet muutokset olivat suhteessa pienempiä kuin maatalousalueilla, mutta myös niiden ekologinen tila oli selvästi heikentynyt. Metsätalouskohteita luonnehtivat etenkin korkeat orgaanisen typen ja hiilen pitoisuudet, jotka liittyivät valuma-alueen turvemaiden ojituksiin ja metsien hakkuisiin. Mitä suurempi osuus turvemaista oli ojitettu, sitä heikompi vedenlaatu jokivesissä oli. Metsätalouden vaikutukset ilmenivät voimakkaammin jokikohteilla kuin järvissä. Yhtenäistä muutosta vedenlaadussa ja ekologisessa tilassa ei seurantajaksolla 2008–2020 havaittu. Yksittäisillä jokikohteilla ja järvillä ekologinen tila oli muuttunut vaihtelevasti. Koska ekologisessa tilassa ei havaittu yhtenäistä paranevaa trendiä, ovat vesiensuojelutoimet todennäköisesti olleet riittämättömiä ja huonosti kohdennettuja. Jatkossa seurantaa tulisi kehittää erityisesti metsätalouden toimenpiteiden vaikutusten laajuuden ja intensiteetin tarkemmaksi kuvaamiseksi. Raportissa käsitellään hajakuormitettujen pintavesien vesiensuojelun ja -hoidon kehitystarpeita. Seuranta-aineiston arvo kasvaa seurantavuosien karttuessa. MaaMet-seurantaverkko tuottaa ensi-arvoisen tärkeää valtakunnallista tietoa maatalouden ja metsätalouden hajakuormituksen vaikutuksista vesien tilaan. Valtakunnallisesti kattava ja ajallisesti jatkuva vesistövaikutusten seuranta on välttämätön edellytys kustannustehokkaalle vesienhoidon suunnittelulle

Quantification and valuation of ecosystem services to optimize sustainable re-use for low-productive drained peatlands

LIFEPeatLandUse (LIFE12 ENV/FI/000150) 2013 – 2018, LAYMAN’S REPORT201

Assessing freshwater biodiversity:insights from different spatial contexts, taxonomic groups and response metrics

Abstract Freshwater ecosystems are severely threatened by a variety of anthropogenic stressors. In order to keep track with at least part of the changes, it is important to efficiently assess and monitor freshwater biological diversity. Biological assessment programs are developed to detect human-induced changes in the ecological state of aquatic systems. These programs typically rely on the assumption that environmental conditions are the sole drivers of biological communities occupying a site and, thus, these local communities would correctly inform about environmental conditions. Recently, this background principle of current bioassessment methods has faced some criticism, stemming from the idea that community structuring is a more complex process than just a mere result of local environmental conditions. In this thesis, I studied the natural and anthropogenic drivers of freshwater biodiversity. I was particularly interested if the various biodiversity metrics studied showed any spatial patterns and if so, for which reasons these patterns might occur. To obtain a comprehensive picture of spatial patterns in biodiversity, I studied multiple spatial contexts, biological groups and indices. I found that environmental conditions were not the only drivers of freshwater biodiversity. Instead, different spatial patterns, likely stemming from dispersal processes, were surprisingly powerful drivers of aquatic communities and index values derived from them. The spatial context (i.e. spatial extent and connectivity) of the aquatic study systems likely played a major role in structuring biodiversity. I also found that the distinct biological groups and indices studied were partly related to different predictor variables. The findings of this thesis are of importance to the development of new bioassessment methods. The results of this thesis also suggest that the spatial context of the study setting should be acknowledged when interpreting results based on current bioassessment methods.Tiivistelmä Makeanveden ekosysteemit ovat hyvin alttiita ihmistoiminnalle. Ekosysteemissä mahdollisesti tapahtuvien muutosten havaitseminen vaatii tehokkaita vesistöjen ekologisen tilan ja luonnon monimuotoisuuden arviointi- ja seurantamenetelmiä. Näiden menetelmien toimintaperiaatteen yleisenä tausta-ajatuksena on, että biologiset yhteisöt määräytyvät paikallisten ympäristöolojen mukaan. Tietyn paikan yhteisön oletetaan siis heijastavan kyseisen paikan ympäristön tilaa. Viime aikoina tausta-ajatus paikallisten ympäristöolojen merkityksestä ainoana eliöyhteisöjä muovaavana tekijänä on kuitenkin kohdannut kritiikkiä. Kriitikot painottavat, että biologisten yhteisöjen rakenteeseen vaikuttavat monet muutkin asiat kuin paikalliset ympäristöolosuhteet ja niissä tapahtuvat ihmisperäiset muutokset. Väitöskirjassani tutkin sisävesien luonnon monimuotoisuuteen vaikuttavia tekijöitä. Olin erityisen kiinnostunut siitä, näkyykö tutkituissa biologisissa parametreissa maantieteellisessä tilassa ilmeneviä spatiaalisia säännönmukaisuuksia. Saadakseni mahdollisimman laaja-alaisen käsityksen luonnon monimuotoisuudessa esiintyvistä spatiaalisista säännönmukaisuuksista, tutkin useaa spatiaalista kontekstia, eliöryhmää ja indeksiä. Tutkimuksessa selvisi, että paikalliset ympäristöolosuhteet eivät ole ainoita luonnon monimuotoisuuteen vaikuttavia tekijöitä. Erilaiset spatiaaliset säännönmukaisuudet, todennäköisesti eliöiden levittäytymiseen liittyvien seikkojen aiheuttamina, olivat yllättävän yleisiä makeiden vesien eliöyhteisöjen rakenteessa ja niihin perustuvien indeksien arvoissa. Tutkimussysteemien spatiaalinen konteksti (alueen laajuus ja paikkojen väliset spatiaaliset suhteet) selvästi vaikutti luonnon monimuotoisuutta kuvastavien indeksien arvojen vaihteluun. Lisäksi selvisi, että eri eliöryhmät ja indeksit olivat useimmiten liitoksissa hyvin erilaisiin selittäviin muuttujiin, osoittaen, että nämä mittarit kuvastavat eri asioita. Väitöskirjassa esitetyt havainnot on tärkeää huomioida vesistöjen ekologisen tilan ja luonnon monimuotoisuuden arviointi- ja seurantamenetelmiä kehitettäessä. Spatiaalisen kontekstin merkitys olisi hyvä huomioida myös nykyisten arviointi- ja seurantamenetelmien tuottamien tulosten tulkinnassa