Pigment-based chemotaxonomy – efficient tool to quantify phytoplankton groups in lakes and coastal sea areas

Abstract

All members of the aquatic food web rely either directly on indirectly on the autotrophic phytoplankton. The distribution and dynamics of phytoplankton groups reflects a number of things: rate of eutrophication, biogeochemical cycling and formation of the potentially harmful algal blooms. Therefore we are bound to quantify the community composition of phytoplankton. These measurements are complicated since the population growth of the phytoplankton can be explosive and the distribution is patchy. Traditionally phytoplankton is quantified via microscopy which is expensive, time-consuming, subjective and requires highly skilful specialists.

This thesis aims to improve phytoplankton monitoring by using algal pigments. This method relies on a fact that all photosynthetic algae have chlorophyll a in their cells that helps to convert light energy into chemical energy. Additionally all algae have accessory pigments that help to capture the light from different wavelenghts. Since there are hundreds of different accessory pigments they can be used as markers for phytoplankton taxonomic groups. Therefore we can quantify different algal groups by measuring the amount specific marker pigments. These measurements are fast and easily automated.

Biggest complication is that the amount of accessory pigments is not constant and depends on several environmental factors – e.g. irradiance, nutrients. My work aims to analyse the relationship of marker pigments and phytoplankton groups in various aquatic envrionments. Our studies in lake Võrtsjärv and coastal areas of Baltic Sea have demonstrated that phytoplankton pigments are a powerful tool in monitoring. Quantification of phytoplankton goups via pigments is faster, cheaper, more objective and precise than with traditional approach. Additional perk of pigment-based chemotaxonomy is that the smallest fraction of phytoplankton – picoplankton, which is left out of microscopy analysis, can be easily studied with this method.

Kõikide vees elavate organismide toidulaud sõltub otseselt või kaudselt mikrovetikatest. Mikrovetikad on vees elavad kõige väiksemad fotosünteesivad organismid ja ligi pool hapnikust, mida hingame on toodetud just nende poolt. Siiski on mikrovetikatel ka pahupool – liigsoodsad tingimused põhjustavad vetikate massilise vohamise ehk õitsengu, millel on tihti negatiivsed tagajärjed, näiteks hapniku puudus vees, toksilisus ja kalade suremine. Seetõttu on vaja mikrovetikate hulka ja koosseisu mõõta. Probleem on selles, et mikrovetikate hulk ja koosseis muutub kiiresti. Traditsiooniliselt kasutatakse vetikarühmade hulga hindamiseks mikroskoopiat, mis on kulukas, aeganõudev, subjektiivne ja nõuab väga kõrgeid erialaoskusi süstemaatikas.

Minu doktoritöö arendab mikrovetikate seiret neis sisalduvaid pigmente kasutades. Meetodi põhimõte seisneb selles, et kõikides vetikates on pigment nimega klorofüll a, mis päikeseenergia keemiliseks energiaks muudab. Veel on vetikates erinevad lisapigmendid, mis aitavad valgust püüda lainepikkustel, kus klorofüll on ebaefektiivne. Lisapigmente on vetikates sadu ja paljud neist on rühmaspetsiifilised. Seega võime me vetikate hulga hindamiseks mõõta just konkreetsele rühmale iseloomuliku pigmendi koguse. Selline mõõtmine on kiire ja automatiseeritav. Kitsaskohaks on asjaolu, et lisapigmentide hulk sõltub mitmetest faktoritest – näiteks valguse või toiteainete hulgast.

Minu töö uurib pigmentide ja vetikarühmade vahelisi seosed erineva iseloomuga veekogudes. Meie uurimused nii Võrtsjärves kui ka rannikumeres (Läänemeri) on näidanud, et pigmendid võimaldavad hinnata kiiremini, odavamalt, objektiivsemalt ja täpsemalt seda, millised mikrovetikad veekogudes tegutsevad. Selliselt on võimalik juba varakult tuvastada ka ohtlikud õitsengud. Olulise lisaväärtusena võimaldab pigmentidel põhinev kemotaksonoomia uurida ka kõige väiksema suurusjärgu vetikaid ehk pikoplanktonit.