Molecular phylogeny of Archaea in boreal forest soil, freshwater and temperate estuarine sediment

Suurin osa luonnossa havaitsemistamme mikrobeista on sellaisia, joita emme edelleenkään osaa kasvattaa laboratorio-oloissa, vaikka tietomme mikrobien monimuotoisuudesta paranevat koko ajan. Luonnontilaisen mikrobieliöstön kokoonpano eri ympäristöissä on paljolti epäselvä ja ymmärrämme vielä hyvin puutteellisesti mikrobien ekologiaa ja niiden rooleja eliöyhteisöissä. Nykyaikaiset molekulaariset tutkimusmenetelmät auttavat selvittämään mikrobien monimuotoisuutta kokonaisvaltaisesti ja nopeasti. Ympäristöstä kemiallisesti puhdistetut ribosomaalista RNA:ta koodaavat geenit edustavat periaatteessa kaikkia eliöyhteisön geneettisesti toisistaan poikkeavia eliöitä. Niistä voidaan valikoida halutut genomit jatkotutkimuksia varten. Uusien menetelmien käyttö on tuonut esiin sen merkittävän seikan, että "tavanomaisten" elinympäristöjen eliöyhteisöihin kuuluu suuri joukko entuudestaan tuntemattomia arkkieliöitä. Aiemmin kuviteltiin, että arkkieliöt asuttavat vain sellaisia "epätavallisia" tai "äärimmäisiä" elinympäristöjä, joita luonnehtii joku seuraavista ominaisuuksista: hyvin korkea lämpötila, korkea suolapitoisuus, korkea happamuus tai emäksisyys, hapettomuus. Tutkijat ovat viimeisen noin kymmenen vuoden aikana osoittaneet, että arkkieliöt asuttavat hyvin monenlaisia kylmän ja lauhkean vyöhykkeen ympäristöjä, yhtä hyvin maaperää kuin suolaisen ja makean veden pohjaa tai pintakerroksia. Nämä löydöt ovat avanneet uuden alun arkkieliöiden tutkimukselle, erityisesti sen selvittämiselle, mitkä ovat niiden fysiologiset ja ekologiset roolit monimuotoisissa mikrobiyhteisöissä. Tämä väitöskirja kuvaa entuudestaan tuntemattomien arkkieliöiden löytymistä havumetsävyöhykkeen metsämaasta. Arkkieliöitä löytyi myös lauhkean vyöhykkeen vuorovesialueelta, murtoveden huuhtelemasta pohjasta. Nämä löydöt ovat perustavalaatuisia vuorovesialueen eliöyhteisöjen ymmärtämiseksi. Suomalaisen metsäjärven vedestä määritettiin molempien arkkieliöiden pääryhmien - tieteellisiltä nimiltään Crenarchaeota ja Euryarchaeota - edustajia. Euryarchaeota-ryhmän edustajia voitiin havainnoida myös fluoresenssi-mikroskopoinnilla. Löydöt viittaavat siihen, että arkkieliöillä on oma biogeokemiallinen roolinsa makeanveden ravintoketjujen hiilen käytössä. Tässä työssä määritetyt uudet arkkieliöiden genomien nukleotidisekvenssit on toimitettu ARB-tietokantaan, jonka kasvava vertailuaineisto edelleen parantaa uusien arkkieliösekvenssien analyysiä ja auttaa hybridisaatiokoetinten ja polymeraasiketjureaktioalukkeiden suunnittelussa ja arvioinnissa. Tässä väitöskirjassa esitellyt tulokset yhdessä lukuisien vesi-, maaperä- ja muiden ympäristöjen arkkieliöitä käsittelevien julkaisujen kanssa osoittavat, että arkkieliöt asuttavat monia erilaisia elinympäristöjä ja että ne ovat ekologisesti paljon menestyneempiä, kuin tieteenalalla on kuviteltu. Voimme olettaa, että heti kun joitain näistä eliöistä onnistutaan kasvattamaan ja ylläpitämään laboratorio-oloissa, niiden joukosta löydetään aivan uusia, entuudestaan tuntemattomia fysiologisia fenotyyppejä, jotka avaavat mielenkiintoisia näkymiä aineenvaihdunnan ja perinnöllisten ominaisuuksien tutkimukselle.

The effects of human induced disturbances on the sediment geochemistry of Baltic Sea embayments with a focus on eutrophication history

Historical sediment nutrient concentrations and heavy-metal distributions were studied in five embayments in the Gulf of Finland and an adjacent lake. The main objective of the study was to examine the response of these water bodies to temporal changes in human activities. Sediment cores were collected from the sites and dated using 210Pb and 137Cs. The cores were analyzed for total carbon (TC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), organic phosphorus (OP), inorganic phosphorus (IP), biogenic silica (BSi), loss on ignition (LOI), grain size, Cu, Zn, Al, Fe, Mn, K, Ca, Mg and Na. Principal component analysis (PCA) was used to summarize the trends in the geochemical variables and to compare trends between the different sites. The links between the catchment land use and sediment geochemical data were studied using a multivariate technique of redundancy analysis (RDA). Human activities produce marked geochemical variations in coastal sediments. These variations and signals are often challenging to interpret due to various sedimentological and post-depositional factors affecting the sediment profiles. In general, the sites studied here show significant upcore increases in sedimentation rates, TP and TN concentrations. Also Cu, which is considered to be a good indicator of anthropogenic influence, showed clear increases from 1850 towards the top part of the cores. Based on the RDA-analysis, in the least disturbed embayments with high forest cover, the sediments are dominated by lithogenic indicators Fe, K, Al and Mg. In embayments close to urban settlement, the sediments have high Cu concentrations and a high sediment Fe/Mn ratio. This study suggests that sediment accumulation rates vary significantly from site to site and that the overall sedimentation can be linked to the geomorphology and basin bathymetry, which appear to be the major factors governing sedimentation rates; i.e. a high sediment accumulation rate is not characteristic either to urban or to rural sites. The geochemical trends are strongly site specific and depend on the local geochemical background, basin characteristics and anthropogenic metal and nutrient loading. Of the studied geochemical indicators, OP shows the least monotonic trends in all studied sites. When compared to other available data, OP seems to be the most reliable geochemical indicator describing the trophic development of the study sites, whereas Cu and Zn appear to be good indicators for anthropogenic influence. As sedimentation environments, estuarine and marine sites are more complex than lacustrine basins with multiple sources of sediment input and more energetic conditions in the former. The crucial differences between lacustrine and estuarine/coastal sedimentation environments are mostly related to Fe. P sedimentation is largely governed by Fe redox-reactions in estuarine environments. In freshwaters, presence of Fe is clearly linked to the sedimentation of other lithogenic metals, and therefore P sedimentation and preservation has a more direct linkage to organic matter sedimentation.

Does the age of fine root carbon indicate the age of fine roots in boreal forests?

To test the reliability of the radiocarbon method for determining root age, we analyzed fine roots (originating from the years 1985 to 1993) from ingrowth cores with known maximum root age (1 to 6 years old). For this purpose, three Scots pine (Pinus sylvestris L.) stands were selected from boreal forests in Finland. We analyzed root 14C age by the radiocarbon method and compared it with the above-mentioned known maximum fine root age. In general, ages determined by the two methods (root 14C age and ingrowth core root maximum age) were in agreement with each other for roots of small diameter (<0.5mm). By contrast, in most of the samples of fine roots of larger diameter (1.5-2mm), the 14C age of root samples of 1987-89 exceeded the ingrowth core root maximum age by 1-10 years. This shows that these roots had received a large amount of older stored carbon from unknown sources in addition to atmospheric CO2 directly from photosynthesis. We conclude that the 14C signature of fine roots, especially those of larger diameter, may not always be indicative of root age, and that further studies are needed concerning the extent of possible root uptake of older carbon and its residence time in roots. Keywords: fine root age, Pinus sylvestris, radiocarbon, root carbon, ingrowth cores, tree ring