The Baltic Sea from the present to future : microbial carbon & nutrient cycling in a changing climate

Climate Change is caused by the accelerated increase of anthropogenic greenhousegas emissions to the atmosphere and affects all ecosystems on our planet. A resultof higher CO2 uptake by the oceans as well as an increase of heat trapped in theatmosphere leads to, for example acidification, stratification, sea-level rise, oxygenloss, and temperature increase of the earth’s waterbodies. The IntergovernmentalPanel on Climate Change (IPCC) predicts the earth’s surface temperature to risebetween 1.0-5.7°C by the year 2100 and ocean temperatures are predicted to rise byup to 2.0°C.This thesis focuses on the effects of environmental changes on microbes and theirfunctions in coastal Baltic Sea sediments and overlying bottom-waters. The studiesexamine potential effects of ongoing climate change in combination with coastaleutrophication, as well as long-term warming due to e.g. climate change within anatural fluctuating system and a laboratory based incubation experiment.Investigation of coastal sediment and overlying bottom-waters showed thatpotential future changes on bacterial communities due to eutrophication incombination with climate change relies on the water depth and oxygen supply. Inaddition, the study of a natural seasonal fluctuating and long-term artificially heatedcoastal bay (compared to an unaffected control bay) gave insights into how theecosystem might react to future climate change. On one hand, bottom waters in theheated bay showed decreased bacterial diversity, suspended seasonal patterns pluselevated and prolonged cyanobacterial blooming. On the other hand, surfacesediment communities in the heated bay had an altered microbial community withdecreased seasonal variation and higher diversity likely due to a shallowing ofgeochemical layers. Furthermore, increased energy production occurred althoughhigher stress RNA transcripts suggested that the microbial community’stemperature optima were below that of the water. Nevertheless, incubationexperiments showed that exposure to short-term elevated temperatures shifted thecontrol bay microbial community closer to that of the heated bay with a similarresponse on RNA level at higher temperatures (28 °C).In summary, this thesis provides new insights into ongoing and likely future climatechange effects on coastal microbial communities, which are key players for nutrientandenergy cycling of the marine ecosystem.De klimatförändringar som nu observeras orsakas av ökade utsläpp av växthusgaseroch förändringarna påverkar alla ekosystem på jorden. Uppvärmningen avatmosfären och upptaget av koldioxid i havet leder bland annat till havsförsurning,skiktning av vattenmassorna, ökad havsnivå, minskad syretillgång och ökadtemperatur i jordens vattensystem. Enligt IPCC:s (Intergovernmental Panel onClimate Change) prediktioner kommer luft- och vattentemperaturer att öka med1.0-5.7°C respektive 2.0°C till år 2100.Den här avhandlingen fokuserar på hur mikroorganismers diversitet och funktionpåverkas av klimatförändringar i kustnära sediment och bottenvatten i Östersjön. Ivissa av studierna undersöktes potentiella kombinationseffekter avklimatförändringar och eutrofiering. Medan andra studier fokuserade påklimateffekter i ett naturligt fluktuerande system som utsatts för långvariguppvärmning samt i laboratorieexperiment där mikroorganismerna utsattes för enmer tillfällig uppvärmning.Vid påverkan av eutrofiering och klimatförändringar visade undersökningarna isedimentet och i bottenvattnet att förändringar bland mikroorganismer vid dessaförhållanden regleras av vattendjup och syrgastillgång. Vidare gav studierna av enartificiellt långtidsuppvärmd men säsongsmässigt fluktuerande vik kunskap om hurekosystemet kommer påverkas av framtidens klimatförändringar (jämfört med enopåverkad referensvik). I bottenvattnet var diversiteten bland mikroorganismerlägre i den uppvärmda viken jämfört med i kontrollviken. Det var även mindresäsongsvariation och en ökad samt förlängd cyanobakterieblomning.Mikroorganismerna i sedimentet, å andra sidan, hade en förändradartsammansättning och minskad säsongsmässig variation samt en högre diversitetjämfört med mikroorganismerna i kontrollviken. Detta orsakas troligen av enförtätning av de geokemiska lagren i sedimentet. Vidare tyder resultaten på högreenergiproduktion i den uppvärmda viken och vissa RNA-transkript indikerar stressoch tillväxt i suboptimal temperatur bland mikroorganismerna i den uppvärmdaviken. Slutligen visade inkubationsexperimentet att det mikrobiella samhället frånkontrollviken förändrades till att mer likna samhället i den uppvärmda viken när deutsattes för uppvärmning med liknande RNA-signaler vid höga temperaturer.Mikroorganismer har en nyckelroll vad gäller närsalts- och energiflöden i det marinaekosystemet. Totalt sett illustrerar denna avhandling hur pågående och kommandeklimatförändringar påverkar kustnära mikrobiella samhällen och processer knutnatill dessa.Der Klimawandel beeinflusst alle Ökosysteme unseres Planeten und wird durch den Anstiegder Konzentrationen an Treibhausgasen in der Atmosphäre verursacht und verstärkt. Diesresultiert zum Beispiel in der Versauerung des Wassers, Veränderung des Salzgehaltes,Stratifizierung des Wassers, Anstieg des Meeresspiegels, sowie Minderung desSauerstoffgehalts im Wasser. Das internationale Klimawandel Gremium (IPCC) berichtet,dass die Erdoberflächentemperatur bis zum Jahre 2100 zwischen 1.0-5.7 °C steigen wird,sowie ein Meerestemperatur Anstieg von bis zu 2 °C zu erwarten ist.In dieser Doktorarbeit wird der Effekt von Umweltveränderungen auf Mikroorganismen undderen Funktion in Küstensedimenten und den darüber liegenden Wasserschichten derOstsee untersucht. Die potentiellen Effekte von bereits auftretendem Klimawandel inKombination mit Eutrophierung, sowie der Effekt von Langzeiterwärmung in einem sichnatürlich saisonal wandelndem System und einem laborbasierten Inkubationsexperimentwerden analysiert.Im ersten Projekt wurden Sedimente untersucht, die zeigten, dass Veränderungen in dermikrobiellen Zusammensetzung in Kombination mit Eutrophierung und potentiellemKlimawandel abhängig von der Wassertiefe und dem Sauerstoffgehalt sind. Zusätzlichwurden Proben in einer künstlich erwärmten Bucht an der Küste der Ostsee genommen undmit einer Kontrollbucht verglichen, um Einsicht zu erlangen wie Küstenökosysteme auf denKlimawandel in Zukunft reagieren könnten. Einerseits haben die Untersuchungen dermikrobiellen Zusammensetzung des Wassers gezeigt, dass mit steigender Temperatur dieDiversität sinkt, die saisonale Zusammensetzung der Bakterien verschoben wird und eineverstärkte und länger anhaltende Cyanobakterienblüte auftritt. Andererseits konntenUntersuchungen des Oberflächensediments zeigen, dass die Diversität, sehr wahrscheinlichdurch eine Komprimierung der geochemischen Schichten, zunimmt. Des Weiteren war dieExpression von Genen des Energiemetabolismus erhöht, aber auch die der Gene, welche miterhöhtem Stress assoziiert sind. Das könnte darauf hindeuten, dass das Temperaturoptimumder Mikroorganismus unterhalb der Wassertemperatur lag. Die Inkubationsstudie konntezeigen, dass sogar kurze Temperaturanstiege in den Proben der Kontrollbucht zu einemWechsel in der mikrobiellen Zusammensetzung und der Exprimierung der Gene (mRNA)führten, sodass diese bei hohen Temperaturen (28 °C), die der künstlich erhitzten Buchtglichen.Zusammenfassend konnte diese Doktorarbeit einen Einblick geben, wie Mikroorganismenin Küstengewässern, die eine zentrale Rolle im Nährstoff- und Energiezyklus des marinenÖkosystems spielen, auf den Effekt des Klimawandels potentiell reagieren könnten