Fast- and drift-ice communities in the Bothnian Bay and the impact of UVA radiation on the Baltic Sea ice ecology

The aim of this thesis was to study ecology of Baltic Sea ice from two perspectives. In the first two studies, sea-ice ecology from riverine-influenced fast ice to drift ice in the Bothnian Bay was investigated, whereas the last two studies focus on the sensitivity of sea-ice bacteria and algae to UVA examined in situ. The seasonal sea ice cover is one of the main characteristics of the Baltic Sea, and despite the brackish parental water, the ice structure is similar to polar ice with saline brine inclusions, the sea ice habitat. The decreasing seawater salinity from the northern Baltic Sea to the Bothnian Bay translates to decreasing brine volumes along the gradient, governing the size and community structure of the food webs in ice. However, the drift and fast ice in the Bothnian Bay may differ greatly in this sense, as drift ice may have been formed at more southern locations. Rafting and the formation of snow ice are common processes in the ice field of the Bothnian Bay. As evidenced in this thesis, rafting altered the vertical distribution of organisms and snow-ice formation provided habitable space in the better-illuminated, nitrogen-rich surface layer. The divergence between fast and drift ice became apparent at the more advanced stages, and chlorophyte biomass decreased from fast to drift ice, while the opposite held true for protozoan and metazoan biomass. The brine volumes affected the communities somewhat, and a higher percentage of flagellate species was generally linked to lower brine volumes, whereas chain-forming diatoms were mostly concentrated in layers with larger brine volumes. These results add to knowledge of the ecological significance of the ice cover lasting up to 7 months per year in this area. Sea-ice food webs are generally light-limited, but while increasing light irradiances typically enhance the primary production and further, the secondary production in sea ice, any increase in solar radiation also includes an increase in harmful UVA radiation. The Baltic Sea ice microbial communities were clearly sensitive to UVA and the responses were strongly linked to the earlier light history, as well as to the solar irradiances they were exposed to. The increased biomass of chlorophytes and pennate diatoms, when UVA was excluded, indicates that their normally minor contribution to the biomass in the upper layers of sea ice might be partly dictated by UVA. The effects of UVA on bacterial production in Baltic Sea ice mostly followed the responses in algal growth, but occasionally the exposure to UVA even enhanced the bacterial production. The dominant bacterial class, Flavobacteria, seemed to be UVA-tolerant, whereas all the Alpha-, Beta- and Gammaproteobacteria present in the surface layer showed UVA sensitivity. These results indicate that changes in the light field of ice may alter the community structure and affect the functioning of ice food webs, and are of importance when the effects of thinning of the ice cover are assessed.

Tutkimuksessa käsitellään Itämeren jään ekologiaa kahdesta eri perspektiivistä. Ensimmäisessä osassa kuvattiin Perämeren merijään ekologiaa jokisuun läheisestä kiintojäästä ajojäähän ja toisessa osassa selvitettiin Itämeren merijään bakteerien ja levien herkkyyttä auringon UVA-säteilylle. Yksivuotinen merijää on yksi Itämeren ominaispiirteistä ja jään rakenteen samankaltaisuus polaarialueiden merijään kanssa suolaliuostaskuineen ja -kanavineen mahdollistaa aktiivisen ravintoverkon muodostumisen myös Itämeren jäässä. Meriveden suolaisuus vaikuttaa suoraan syntyvien suolaliuostaskujen tilavuuteen, joten Itämerellä niiden koko pienenee kohti Perämerta. Ajo- ja kiintojää voivat kuitenkin erota tässä suhteessa toisistaan, sillä ajojää on saattanut muodostua etelämpänä. Jään päällekkäin ajautuminen ja kohvajään muodostus ovat tyypillisiä prosesseja Perämeren jääpeitteessä. Tässä tutkimuksessa osoitettiin, että ne vaikuttavat merkittävästi myös jään kemiallisiin ja biologisiin ominaisuuksiin. Jään ajautuessa päällekkäin eliöiden vertikaalinen jakautuma muuttuu oleellisesti ja kohvajään muodostuminen laajentaa merieliöiden elinympäristöä, mikä erityisesti vähäsuolaisella Perämerellä on tärkeää. Suolaliuoksen tilavuus jäässä vaikutti jossain määrin eliöyhteisöön ja pienissä tilavuuksissa suurempi osa oli siimaeliöitä, kun taas suuremmissa tilavuuksissa ketjumaiset piilevät dominoivat. Kiinto- ja ajojään välinen ero tuli ilmeiseksi vasta sukkession myöhemmissä vaiheissa ja viherlevien biomassa pieneni kiintojäästä ajojäähän, kun taas alku- ja rataseläinbiomassalla suunta oli päinvastainen. Valo on yleisin merijään eliöiden tuotantoa rajoittava tekijä, mutta vaikka valon määrän kasvaminen lisääkin perustuotantoa ja sitä kautta toisenvaraista tuotantoa, niin samalla kasvaa myös altistus haitalliselle UVA-säteilylle. Tässä tutkimuksessa Itämeren merijään eliöt osoittivat selvää herkkyyttä luontaisille UVA-säteilyn tasoille ja vaikutuksen suuruus riippui jään aikaisemmasta valohistoriasta ja UVA-altistuksen säteilyn voimakkuudesta. Viherlevien ja pennaattisten piilevien lisääntyminen jään pintakerroksissa, kun UVA oli suodatettu pois, viittaa siihen, että UVA saattaa osin säädellä näiden levien esiintymistä ja vertikaalista jakautumaa merijäässä. UVA-säteilyn vaikutukset bakteerituotantoon olivat läheisessä yhteydessä levien vasteisiin, mutta joissain tapauksissa UVA saattoi jopa lisätä bakteerituotantoa. Bakteeriluokista dominoivin, flavobakteerit, osoittautuivat UVA-toleranteiksi, kun taas kaikki pintajäästä löydetyt alfa-, beta- ja gammaproteobakteerit reagoivat negatiivisesti UVA-altistukseen. Nämä tutkimustulokset osoittavat, että Itämeren merijään eliöyhteisön rakenne ja toiminta saattaa muuttua ilmaston lämpenemisen aiheuttaman merijään ja lumipeitteen ohenemisen seurauksena.