Human impact on the harmful algae blooms and allelopathic effects of cyanobacteria and microalgae in Baltic Sea : a review

Antropogeniczne oddziaływanie na zasoby wod-ne, prowadzące do zmiany obiegu substancji mineralnych i zwiększonej ich dostawy do odbierających je wód, pociąga za sobą rozległe skutki ekologiczne. Jednym z zasadniczych efektów antropogenicznego dopływu pierwiastków bio-gennych (zwłaszcza azotu i fosforu) do Morza Bałtyckiego jest nadmierny rozwój fitoplanktonu. Wyniki ostatnich badań wskazują, że dostępność azotu i fosforu może wpływać również na oddziaływania allelopatyczne sinic i mikroglonów. Syntezowane przez te organizmy związki allelopatyczne mogą negatywnie oddziaływać na ryby, skorupiaki, ssaki, a także na organizm człowieka. Określenie wpływu zwiększonej dostępności soli pokarmowych na wskazane aspekty powinno stać się priorytetem przyszłych badań

Allelopathic interactions of cyanobacteria and microalgae in aquatic ecosystem

Termin "allelopatia" został wprowadzony do nauki w 1937 r. przez austriackiego profesora Hansa Molischa. Użył on pojęcia allelopatii do określenia wzajemnego oddziaływania pomiędzy organizmami roślinnymi poprzez wydzielanie związków chemicznych. W 1996 r. International Allelopathy Society poszerzyło tę definicję, wskazując, że jest to każdy proces, w którym substancje chemiczne wydzielane przez jedne organizmy oddziałują na rozwój innych gatunków roślinnych i zwierzęcych. Oddziaływanie allelopatyczne może być istotnym czynnikiem wpływającym na formowanie się masowych zakwitów sinic i mikroglonów w wielu zbiornikach wodnych. Zakwity tych organizmów w ostatnich dziesięcioleciach znacznie się nasiliły i stanowią dziś poważny problem ekologiczny i ekonomiczny. Dostarczenie nowych informacji na temat sposobu i zakresu oddziaływania allelopatycznego sinic i mikroglonów może mieć ważne znaczenie dla pełniejszego zrozumienia nasilającego się na całym świecie zjawiska masowych zakwitów tych organizmów w wielu ekosystemach wodnychThe term "allelopathy" was introduced to science in 1937 by Hans Molisch, who used the concept of allelopathy to identify negative impact of chemicals secreted by a plant on the growth of other neighboring plants. In 1996, the International Allelopathy Society has broadened the meaning of allelopathy as any inhibitory or stimulatory process in which chemical substances secreted by various organisms interact with their ecosystem. Allelopathy may be one of the factors contributing to formation and maintenance of cyanobacterial and algal blooms, which strongly affect coastal marine ecosystems and cause economic problems for commercial aquaculture. A better understanding of the complexity and nature of underlying allelopatic interactions may help to explain the emergence of massive blooms of cyanobacteria and algae in many aquatic ecosystems

Wpływ temperatury i natężenia światła na wzrost i zawartość barwników fotosyntetycznych u bałtyckiej pikoplanktonowej sinicy Synechococcus sp.

The experiments on three Baltic picocyanobacterial strains of Synechococcus (BA-120 - red strain, BA-124 - green strain and BA-132 - brown strain) were conducted at four scalar irradiances in Photosynthetically Active Radiation (PAR) and four temperature levels. The main aim of this work was to estimate the effect of environmental conditions (temperature and PAR) on cell concentration and photosynthetic pigments (Chlorophyll a - Chl a and Carotenoids - Car) contents. The ranges of PAR and temperatures were 10, 100, 190, 280 μmol m-2 s-1 and 10, 15, 20, 25ºC, respectively. The experiment was carried in a medium of salinity of 8. The number of Synechococcus sp. cells was determined using a BD Accuri™ C6 flow cytometer. The pigments contents were determined by a spectrophotometric method. In this work, it was found that elevated intensity and temperature have, on average, a positive effect on cell concentration for Synechococcus sp. The highest cells concentrations were noted at the highest PAR (280 µmol m-2 s-1) and the highest T (25ºC) for green and brown strains (BA-124 and BA-132, respectively) and at 190 µmol m-2 s-1 and 25ºC for red strain (BA-120). Comparing the strains at each PAR level and temperature, the highest cell concentration was noted in green strain (36·106 cell ml-1), while the lowest was observed in red strain (8·106 cell ml-1). In general, in the two strains of Synechococcus (BA-120 and BA-132), the highest Car and Chl a contents were observed at the lowest light intensity and the highest temperature. On the other hand, Car and Chl a maximum content in BA-124 were noted at the lowest light and temperature. The experiments on Synechococcus strains demonstrated their high capacity to acclimate to a wide range of PAR and temperature levels. The three strains of Synechococcus showed adaptation capabilities, since they were able to change the composition of their photosynthetic pigments to use light quantity better and to protect the cells from the unfavourable effect of elevated light and temperature.Badania przeprowadzono na trzech szczepach bałtyckiej pikoplanktonowej sinicy z rodzaju Synecho-coccus (BA-120 – szczep czerwony, BA-124 – szczep zielony oraz BA-132 – szczep brązowy), które hodowano w czterech różnych warunkach oświetlenia fotosyntetycznie aktywnego (PAR): 10, 100, 190, 280 μmol m-2s-1 oraz w czterech temperaturach: 10, 15, 20 i 25°C. Głównym celem pracy było określenie wpływu wybranych zakresów PAR i temperatury na wzrost komórek oraz zawartość barw-ników fotosyntetycznych u analizowanych szczepów sinicy. Eksperyment przeprowadzono w medium o stałym zasoleniu równym 8. Liczebność komórek określana była za pomocą cytometru przepły-wowego BD Accuri™ C6. Pomiar oraz estymację zawartości barwników fotosyntetycznych określono metodą spektrofotometryczną. Na podstawie uzyskanych danych wykazano, że wysoka intensywność światła oraz wysoka temperatura mają na ogół pozytywny wpływ na liczebność komórek Synechococ-cus sp. Stwierdzono, że szczep zielony (BA-124) oraz szczep brązowy (BA-132) osiągnęły największą liczebność komórek w najwyższym oświetleniu (280 μmol m-2 s-1) i najwyższej temperaturze (25°C). Szczep czerwony BA-120 wykazał najwyższy wzrost w 190 μmol m-2 s-1 i 25°C. Ponadto zaobserwowa-no, że szczep zielony posiadał najwyższą liczebność komórek, która po tygodniu eksperymentu wyniosła 36·106 kom. ml-1, natomiast szczep czerwony był najmniej liczny (8·106 kom. ml-1). Ogólnie, szczepy BA-120 oraz BA-132 najwyższą zawartość chlorolu a oraz barwników karotenoidowych wykazały w najniższym oświetleniu i najwyższej temperaturze. Maksymalną zawartość tych barwników szczep BA-124 osiągnął w najniższej temperaturze oraz natężeniu światła. Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń wykazano wysoką aklimatyzację szczepów Synechococcus sp. do szerokiego zakresu natężenia PAR oraz temperatury. Wszystkie badane szczepy pikoplanktonowej sinicy były zdolne do zmiany proporcji swoich barwników fotosyntetycznych. Tego rodzaju umiejętność pozwala im lepiej wykorzystywać dostępne promieniowanie w procesie fotosyntezy oraz daje ochronę w przypadku ekspozycji na niekorzystne warunki środowiskowe

Zjawisko oddziaływania allelopatycznego bałtyckiej pikoplanktonowej sinicy Synechococcus sp. na wybrane gatunki okrzemek

It is commonly believed that the structure of phytoplankton and the formation of cyanobacterial and algal blooms may be explained by allelopathic interactions. The main aim of this study was to investigate the allelopathic effect of picocyanobacterium Synechococcus sp. on the following growth and fluorescence parameters: the maximum quantum yield of PSII photochemistry (Fv/Fm), and the effective quantum yield of PSII photochemistry (ΦPSII) of selected diatoms - Nitzschia fonticola, Fistulifera saprophila, Navicula perminuta and Amphora coffeaeformis. In this study, it was demonstrated that picocyanobacterium caused allelopathic effects against Baltic diatoms. The results showed that the addition of cell-free filtrate from Synechococcus sp. increased the number of cells of N. fonticola and F. saprophila. Moreover, it was found that picocyanobacterium was stimulated fluorescence parameters of N. fonticola, F. saprophila, and N. perminuta. On the other hand, it was noted that filtrate obtained from picocyanobacterium caused the inhibition of Fv/Fm parameter of A. coffeaeformis. The results of this experiment may provide further information about allelopathic interactions between Baltic picocyanobacteria and diatoms that are crucial to the understanding of algal blooms in aquatic ecosystems.Powszechnie uważa się, że oddziaływanie allelopatyczne może mieć wpływ na strukturę fitoplanktonu oraz tworzenie masowych zakwitów sinic oraz mikroglonów. Głównym celem niniejszych badań było wykaza-nie oddziaływania allelopatycznego pikoplanktonowej sinicy Synechococcus sp. na wzrost oraz parametry fluorescencji, charakteryzujące maksymalną wydajność fotosystemu II (Fv/Fm) oraz rzeczywistą wydajność fotosystemu II na świetle (ΦPSII) wybranych gatunków okrzemek: Nitzschia fonticola, Fistulifera saprophila, Navicula perminuta i Amphora coffeaeformis. Zaobserwowano, że pikoplanktonowa sinica wykazywała allelopatyczne właściwości na badane bałtyckie okrzemki. Na podstawie uzyskanych danych zanotowano, że dodanie przesączu z sinicy Synechococcus sp. stymulowało wzrost N. fonticola i F. saprophila. Ponadto zaob-serwowano znaczący wzrost parametrów fluorescencji u N. fonticola, F. saprophila i N. perminuta. W pracy również wykazano, że przesącz powodował obniżenie wartości parametru Fv/Fm u A. coffeaeformis. Wyniki uzyskane w niniejszej pracy dostarczają szerszych informacji odnoście oddziaływania allelopatycznego, występującego pomiędzy wybranymi gatunkami sinic i okrzemek, które w znaczący sposób mogą przyczynić się do zrozumienia pojawiających się w wielu ekosystemach wodnych masowych zakwitów sinic i mikroglonów

Allelopathic effect of Ulva intestinalis L. on the Baltic filamentous cyanobacterium Nostoc sp.

Allelopathy is a prevalent natural phenomenon in aquatic ecosystem. We reported the effects of the green macroalga Ulva intestinalis L. collected from estuaries of the Baltic Sea (Poland) on the growth and chlorophyll fluorescence of common filamentous cyanobacterium Nostoc sp. It was found that the addition of 50 µL mL-1 extracts obtained from U. intestinalis inhibited growth of cyanobacterium and after one week of exposition the reduction was 35% of initial amount of Nostoc sp. In addition, we demonstrated that on the seventh day of the exposition, the values of Fv/Fm of target cyanobacterium after addition of 100 µL mL-1 extracts obtained from U. intestinalis was reduced to 49%, compared to control treatment. These results showed for the first time the allelopathic activity of U. intestinalis on Baltic filamentous cyanobacteria Nostoc sp.Allelopatia jest powszechnym zjawiskiem występującym w ekosystemach wodnych. W artykule opisano wpływ zielenicy bentosowej Ulva intestinalis L. (ulwa kiszkowata), zebranej z Morza Bałtyckiego (Zatoka Gdańska); na wzrost i fluorescencję chlorofilu u nitkowatej sinicy Nostoc sp. Na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzono, że po dodaniu ekstraktów uzyskanych z U. intestinalis, najmniejszy wzrost Nostoc sp. obserwowano w siódmym dniu eksperymentu. Dodanie 50 μL mL–1 ekstraktu z U. intestinalis zahamowało rozwój sinicy Nostoc sp. i po 7 dniu ekspozycji jej wzrost osiągnął poziom 35% w stosunku do warunków kontrolnych. Ponadto największy spadek wartości parametru fluorescencji Fv/Fm dla Nostoc sp. obserwowano po tygodniu trwania eksperymentu. Stwierdzono, że po 7 dniach ekspozycji wartość Fv/Fm dla badanej sinicy po dodaniu 100 μL mL–1 ekstraktu z U. intestinalis spadła o 49%. Przeprowadzone badania po raz pierwszy wykazały, że U. intestinalis wpływa allelopatycznie na bałtyckie sinice nitkowate z rodzaju Nostoc

Expansion of picocyanobacteria in aquatic ecosystems

Sinice pikoplanktonowe stanowią podstawowy element ekosystemów wodnych, występując zarówno w zbiornikach słodkich, brakicznych, jak i otwartych wodach oceanicznych. Pełnią one kluczową rolę w produkcji pierwotnej, a ich największy udział notuje się w wodach oligotroficznych. Jednak dotychczasowe informacje na temat tych organizmów wciąż pozostają niewystarczające. W ostatnich latach wzrosła liczba doniesień dotyczących masowych zakwitów sinic pikoplanktonowych, ich potencjalnej toksyczności, a także szkodliwego wpływu na całe ekosystemy wodne. Dokładne poznanie mechanizmów odpowiedzialnych za ekspansję tych wodnych fotoautotrofów jest niezwykle ważne dla lepszego zrozumienia funkcjonowania środowiska morskiego. W pracy podsumowano dotychczasowy stan wiedzy na temat sinic pikoplanktonowych oraz przybliżono najnowsze informacje potwierdzające ich zdolność do tworzenia masowych zakwitów w wielu ekosystemach wodnych.Picocyanobacteria are common in freshwater, brackish and marine ecosystems throughout the world. They play an essential role in primary production and their domination in phytoplankton biomass is common particularly in oligotrophic waters. However, this group of photoautotrophic organisms still remains insufficiently investigated. The number of works on the occurrence of massive blooms of picocyanobacteria, their role in aquatic habitats and potential toxicity has notably increased in last years. Filling existing gaps in the knowledge of mechanisms responsible for the global expansion of these organisms can provide a better understanding of functioning of the aquatic environments. In this review, we summarized the most recent information concerning picocyanobacteria and the occurrence of their massive blooms in many aquatic ecosystems

Allelopathic activity of the Synechococcus sp. (Cyanobacteria, Chroococcales) on selected cyanobacteria species

Picocyanobacterium Synechococcus sp. is very important but still poorly understood component of marine and freshwater ecosystems. In this study, the effect of single and multiple addition of cell-free filtrate obtained from Synechococcus sp. on selected cyanobacteria Synechocystis sp., Geitlerinema amphibium, Nodularia spumigena and Nostoc sp. was investigated. The species present in this work are groups of aquatic phototrophs known to co-occur in the Baltic Sea. The study showed that the picocyanobacterial cell-free filtrate inhibit the growth and changed the cell morphology of filamentous cyanobacteria G. amphibium, N. spumigena and Nostoc sp. It was shown that the addition of cell-free filtrate caused a decline of pigmentation and cell lysis of G. amphibium, N. spumigena and Nostoc sp. compared to the control culture. In addition, it was observed that the filtrate obtained from Synechococcus sp. did not affect the Synechocystis sp. It was found that the filtrate obtained from picocyanobacterium had the strongest effect on growth of G. amphibium, therefore for this cyanobacteria performed additional experiments to showed whether the filtrate affected also photosynthetic pigments, chlorophyll fluorescence and photosynthesis. The study proved that the picocyanobacterial allelopathic compounds reduce the efficiency of photosynthesis, which results in the inhibition of growth of target organisms. This way of interaction may explain the formation of almost monospecific cyanobacterial blooms in many aquatic ecosystems, including in the Baltic Sea

Zjawisko oddziaływania allelopatycznego bałtyckiej pikoplanktonowej sinicy Synechocystis sp.

Allelopathic compounds produced by picocyanobacteria could affect the growth and development of biological systems. The main aim of this study was to investigate the influence of unknown allelochemicals obtained from picocyanobacterium Synechocystis sp. BA-153 in monocultures and in mixed cultures. In this study, we demonstrated that Synechocystis sp. BA-153 caused allelopathic effects against other strains of picocyanobacteria. It was found that Synechocystis sp. BA-121 was strongly inhibited by Synechocystis sp. BA-153 in both the mixed culture and cell-free filtrates. On the other hand, the addition of live picocyanobacterial culture of Synechocystis sp. BA-153 stimulated the growth of Synechocystis sp. BA-122. These results showed the allelopathic activity of Synechocystis sp. BA-153, which can cause either the inhibition or stimulation of growth of selected picoplanktonic cyanobacteria.Związki allelopatyczne produkowane przez pikoplanktonowe sinice mogą wpływać na wzrost i funkcjono-wanie gatunków toplanktonu w ekosystemach wodnych. Głównym celem niniejszej pracy było wykazanie wpływu wciąż nierozpoznanych związków allelopatycznych produkowanych przez pikoplanktonową sinicę Synechocystis sp. BA-153 w monokulturach i hodowlach mieszanych. Na podstawie uzyskanych danych wykazano, że pikoplanktonowa sinica Synechocystis sp. BA-153 wykazywała oddziaływanie allelopatyczne na inne szczepy pikoplanktonowych sinic z tego samego rodzaju. Stwierdzono, że szczep Synechocystis sp. BA-153 silnie hamował wzrost Synechocystis sp. BA-121, zarówno w hodowlach mieszanych, jak i w eks-perymentach z dodaniem przesączu. Z drugiej strony, dodanie żywej kultury Synechocystis sp. BA-153 stymulowało wzrost Synechocystis sp. BA-122. Uzyskane wyniki potwierdzają aktywność allelopatyczną Synechocystis sp. BA-153 i wskazują, że może ona zarówno hamować, jak i stymulować wzrost wybranych szczepów pikoplanktonowych sinic

Environmental drivers of bloom-forming cyanobacteria in the Baltic Sea: Effects of salinity, temperature, and irradiance

Environmental changes, including hydrological modifications caused by global warming, are one of the major drivers of harmful cyanobacterial bloom expansion. The ecophysiological study of bloom-forming filamentous cyanobacteria Nodularia spumingena, Aphanizomenon sp. and Dolichospermum lemmermannii was conducted in a series of laboratory tests. Cyanobacterial cultures were grown at various combinations of environmental conditions (scenarios). These scenarios were combinations of irradiance in the sense of Photosynthetically Active Radiation (PAR) spectrum (10, 100, 190 and 280 μmol photons m−2s−1), temperature (15, 20 and 25 °C) and salinity (3, 8 and 13). The cell concentration, pigment content and photosynthetic performance of cyanobacteria were measured to analyze the environmental stress. Generally, a positive effect of high irradiance and temperature on the abundance of these organisms as well as a preference to low salinity were observed. Pigment concentration (chlorophyll a (Chl a), carotenoids (Car) and Car/Chl a ratio), Chl a fluorescence and photosynthetic irradiance response (P-E) curves were used to characterize photoacclimation capacity of the cyanobacterial strains. The highest Car/Chl a ratio was observed at a high irradiance (190–280 μmol photons m−2s−1) and the lowest at 10 μmol photons m−2s−1 and 25 °C. Chl a fluorescence of cyanobacterial strains indicated that the highest irradiance (280 μmol photons m−2s−1) and the highest temperature (25 °C) had a negative effect on both the maximum quantum yield (Fv/Fm) and the effective quantum yield of photosystem II (PSII) photochemistry (ΦPSII). This effect was more pronounced in the case of ΦPSII than Fv/Fm. Based on photosynthesis irradiance response (P-E) curves, two mechanisms of photoacclimation were recognized. The maximum value of the photosynthetic capacity (Pm) expressed per unit biomass for cells grown at 10 μmol photons m−2s−1 indicated a change in the number of Photosynthetic Units (PSU). The constant values of the initial slope of the P-E curve (α) and the maximum value of Pm expressed per Chl a unit at 280 μmol photons m−2s−1 indicated another mechanism, a change in PSU size. The study showed a wide range of filamentous cyanobacteria responses to the changing environment. This may explain the successful growth of freshwater and brackish filamentous cyanobacteria in the Baltic Sea and suggests further expansion with progressing climate change