Fluorescence properties of Baltic Sea phytoplankton

To obtain data on phytoplankton dynamics with improved spatial and temporal resolution, and at reduced cost, traditional phytoplankton monitoring methods have been supplemented with optical approaches. In this thesis, I have explored various fluorescence-based techniques for detection of phytoplankton abundance, taxonomy and physiology in the Baltic Sea. In algal cultures used in this thesis, the availability of nitrogen and light conditions caused changes in pigmentation, and consequently in light absorption and fluorescence properties of cells. In the Baltic Sea, physical environmental factors (e.g. mixing depth, irradiance and temperature) and related seasonal succession in the phytoplankton community explained a large part of the seasonal variability in the magnitude and shape of Chlorophyll a (Chla)-specific absorption. The variability in Chla-specific fluorescence was related to the abundance of cyanobacteria, the size structure of the phytoplankton community, and absorption characteristics of phytoplankton. Cyanobacteria show very low Chla-specific fluorescence. In the presence of eukaryotic species, Chla fluorescence describes poorly cyanobacteria. During cyanobacterial bloom in the Baltic Sea, phycocyanin fluorescence explained large part of the variability in Chla concentrations. Thus, both Chla and phycocyanin fluorescence were required to predict Chla concentration. Phycobilins are major light harvesting pigments for cyanobacteria. In the open Baltic Sea, small picoplanktonic cyanobacteria were the main source of phycoerythrin fluorescence and absorption signal. Large filamentous cyanobacteria, forming harmful blooms, were the main source of the phycocyanin fluorescence signal and typically their biomass and phycocyanin fluorescence were linearly related. Using phycocyanin fluorescence, dynamics of cyanobacterial blooms can be detected at high spatial and seasonal resolution not possible with other methods. Various taxonomic phytoplankton pigment groups can be separated by spectral fluorescence. I compared multivariate calibration methods for the retrieval of phytoplankton biomass in different taxonomic groups. Partial least squares regression method gave the closest predictions for all taxonomic groups, and the accuracy was adequate for phytoplankton bloom detection. Variable fluorescence has been proposed as a tool to study the physiological state of phytoplankton. My results from the Baltic Sea emphasize that variable fluorescence alone cannot be used to detect nutrient limitation of phytoplankton. However, when combined with experiments with active nutrient manipulation, and other nutrient limitation indices, variable fluorescence provided valuable information on the physiological responses of the phytoplankton community. This thesis found a severe limitation of a commercial fast repetition rate fluorometer, which couldn t detect the variable fluorescence of phycoerythrin-lacking cyanobacteria. For these species, the Photosystem II absorption of blue light is very low, and fluorometer excitation light did not saturate Photosystem II during a measurement. This thesis encourages the use of various in vivo fluorescence methods for the detection of bulk phytoplankton biomass, biomass of cyanobacteria, chemotaxonomy of phytoplankton community, and phytoplankton physiology. Fluorescence methods can support traditional phytoplankton monitoring by providing continuous measurements of phytoplankton, and thereby strengthen the understanding of the links between biological, chemical and physical processes in aquatic ecosystems.

Optiset automaattilaitteet tarjoavat kustannustehokkaan ja ajallisesti ja paikallisesti hyvin kattavan tavan seurata planktonlevien dynamiikkaa. Tässä väitöskirjatyössä olen selvittänyt erilaisten fluoresenssimenetelmien käyttöä planktonlevien määrän, levälajiston vaihtelun ja fysiologisen tilan mittaamisessa Itämerellä. Leväviljelmiä käyttäen havaitsin, että typen saatavuus ja valaistus vaikuttivat leväsolujen pigmentaatioon, sekä absorptio- ja fluoresenssiominaisuuksiin. Itämeressä fysikaaliset ympäristötekijät (sekoittuvan vesikerroksen syvyys, auringon säteilyn määrä, ja lämpötila) ja kasviplanktonyhteisöjen vuosisukkessio selittivät suuren osan a-klorofyllin spesifisen absorption voimakkuudesta ja spektraalisesta vaihtelusta. Havaittua a-klorofylli-spesifisen fluoresenssin vaihtelua selittivät syanobakteerien osuus planktonlevien biomassasta, planktonleväyhteisöjen kokojakauma ja planktonlevien absorptio-ominaisuudet. Elävien syanobakteerien sisältämän a-klorofyllin fluoresenssi on hyvin alhainen. Muiden planktonlevien läsnäollessa a-klorofyllin fluoresenssia ei voikaan käyttää syanobakteerien esiintymisen selvittämiseen. Syanobakteerikukintojen aikaan Itämerellä fykosyaniinin fluoresenssi selitti suuren osan a-klorofyllin pitoisuuksien vaihtelusta. Tutkimusteni mukaan, luotettavan arvion saaminen Itämeren levämäärästä kesäaikaan vaatiikin a-klorofyllin fluoresenssin lisäksi fykosyaniinin fluoresenssin mittaamista. Fykobiliinit ovat syanobakteerien tärkeimmät fotosynteettiset pigmentit. Avoimella Itämerellä fykoerytriinin fluoresenssin ja absorption määrä liittyi pienikokoisten syanobakteerien esiintymiseen. Fykosyaniinin fluoresenssi oli puolestaan peräisin isoista rihmamaisista syanobakteereista, jotka muodostavat haitallisia kukintoja. Solulaskentojen perusteella arvioidun rihmamaisten syanobakteerien biomassan ja fykosyaniinin fluoresenssin välille saatiin lineaarinen riippuvuussuhde. Fykosyaniinin fluoresenssin sen avulla voidaan arvioida syanobakteerikukinnan kehitystä aika- ja tilaskaalalla, mikä ei aikaisemmin ole ollut mahdollista. Taksonomisia planktonleväryhmiä voidaan tunnistaa fluoresenssisormenjälkien avulla. Väitöskirjatyössäni vertailin monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta spektraalisten aineistojen tulkinnassa. Tilastollinen korrelaatiomenetelmä (PLS, partial least squares) osoittautui paremmaksi kuin perinteisemmät regressiomenetelmät ja PLS menetelmän avulla saadaan luotettava kuva eri leväryhmien vuosisukkessiosta ja leväkukinnoista. Fluoresenssin kvanttisaannon muutosten avulla voidaan tutkia planktonlevien fysiologista tilaa. Tulokseni osoittivat, että Itämerellä tämä menetelmä yksinään ei anna luotettavaa kuvaa planktonlevien ravinnerajoitteisuudesta. Yhdistettynä aktiivisiin ravinnemanipulaatiokokeisiin, ja muihin ravinnerajoitteisuuden indikaattoreihin, menetelmä tarjoaa kuitenkin arvokasta tietoa planktonleväyhteisön fysiologisesta vasteesta ravinnelisäyksiin. Työssä havaittiin lisäksi, että yleisesti käytössä oleva kaupallinen FRR fluorometri ei sovellu Itämeren kukintoja muodostavien rihmamaisten syanobakteerien fysiologian tutkimiseen niiden erikoisen pigmentaation vuoksi. Väitöskirjatyöni osoitti elävien planktonlevien fluoresenssimittausten olevan hyödyllisiä silloin kun halutaan jatkuvatoimisesti havainnoida planktonlevien määrää, syanobakteerien määrää, taksonomisten leväryhmien esiintymistä ja planktonleväsolujen fysiologista tilaa. Automatisoidut fluoresenssimenetelmät tukevat kustannustehokkaasti perinteistä planktonleväseurantaa ja niiden avulla voidaan saada entistä tarkempaa tietoa vesiekosysteemien toiminnan syy-seuraussuhteista.