Spatial and temporal variation in fish populations and assemblages in coastal waters of the northern Baltic Proper

The distribution and traits of fish are of interest both ecologically and socio-economically. In this thesis, phenotypic and structural variation in fish populations and assemblages was studied on multiple spatial and temporal scales in shallow coastal areas in the archipelago of the northern Baltic Proper. In Lumparn basin in Åland Islands, the fish assemblage displayed significant seasonal variation in depth zone distribution. The results indicate that investigating both spatial and temporal variation in small scale is crucial for understanding patterns in fish distribution and community structure in large scale. The local population of Eurasian perch Perca fluviatilis L displayed habitat-specific morphological and dietary variation. Perch in the pelagic zone were on average deeper in their body shape than the littoral ones and fed on fish and benthic invertebrates. The results differ from previous studies conducted in freshwater habitats, where the pelagic perch typically are streamlined in body shape and zooplanktivorous. Stable isotopes of carbon and nitrogen differed between perch with different stomach contents, suggesting differentiation of individual diet preferences. In the study areas Lumparn and Ivarskärsfjärden in Åland Islands and Galtfjärden in Swedish east coast, the development in fish assemblages during the 2000’s indicated a general shift towards higher abundances of small-bodied lower-order consumers, especially cyprinids. For European pikeperch Sander lucioperca L., recent declines in adult fish abundances and high mortalities (Z = 1.06–1.16) were observed, which suggests unsustainably high fishing pressure on pikeperch. Based on the results it can be hypothesized that fishing has reduced the abundances of large predatory fish, which together with bottom-up forcing by eutrophication has allowed the lower-order consumer species to increase in abundances. This thesis contributes to the scientific understanding of aquatic ecosystems with new descriptions on morphological and dietary adaptations in perch in brackish water, and on the seasonal variation in small-scale spatial fish distribution. The results also demonstrate anthropogenic effects on coastal fish communities and underline the urgency of further reducing nutrient inputs and regulating fisheries in the Baltic Sea region.

Tehokalastuksen vaikutukset Lappajärvessä : Kalastus elinkeinoksi Lappajärvellä -hankkeen vuosien 2001-2006 seurannan loppuraportti

Lappajärven, Etelä-Pohjanmaan suurimman järven, ekologinen tila on heikentynyt ja se luokitellaan nykyisin tyydyttäväksi. Rehevöityminen, 1990-luvun muikkukato ja yhteiskunnan rakennemuutos ovat vähentäneet kalastajien ja kalansaaliin määrää. Ammattikalastuksen edellytysten parantamiseksi toteutettiin vuosina 2001–2004 ”Kalastus elinkeinoksi Lappajärvellä” – hanke. Hankkeen vaikutuksia kalastoon ja järven ekosysteemiin seurattiin vuosina 2001–2006. Kokonaissaalis vuosina 2001–2004 oli 1655 tonnia (n. 29 kg/ha/vuosi). Vaikka saalistavoitetta (2100 tn) ei täysin saavutettu, oli hankkeella runsaasti myönteisiä, joskin osin vähäisiä tai epävarmoja vaikutuksia järven tilaan ja kalastoon. Kalastajien yksikkösaaliit etenkin kuhan ja isokokoisen ahvenen osalta nousivat hankkeen alussa. Loppuvuosina yksikkösaaliiden kehitys oli osittain ristiriitaista. Ulapan taloudellisesti vähempiarvoinen kalasto, varsinkin kuorekanta harveni selvästi. Muikku puolestaan lisääntyi ja pysyi runsaana. Kuhan ja isokokoisen ahvenen lisääntymistä selittivät pääosin lämpimät kesät ja kuhan onnistuneet istutukset. Petokalat, etenkin kuha, voivat osaltaan säädellä Lappajärven ulapan planktonsyöjäkalojen kantoja ja toisaalta estää särjen siirtymistä ulapalle. Tehokalastuksen loputtua alkoi näkyä merkkejä kalakantojen palautumisesta takaisin kohti lähtötilannetta. Rantavyöhykkeellä hankkeen vaikutukset jäivät selvästi vähäisemmiksi kuin ulapalla. Eläinplankton lisääntyi hieman ylemmissä vesikerroksissa, mutta tilanne alkoi palautua ennalleen hankkeen jälkeen. Sinileväkukinnot vaikuttivat vähentyneen hankkeen aikana, tosin kukintojen voimakas vaihtelu vaikeutti arviointia. Tehokalastus ja vesiensuojelun tehostuminen vähensivät fosforipitoisuuksia, tosin myös vähäsateiset vuodet vaikuttivat vähenemiseen. Pitoisuuksien lasku jatkui hankkeen jälkeen. Hanketta edeltänyt klorofyllipitoisuuksien kasvusuuntaus pysähtyi ja pitoisuustaso vakiintui. Tehokalastus pienensi klorofylli/fosfori-suhdetta ja vähensi sisäistä kuormitusta, mutta vaikutus alkoi heiketä hankkeen loputtua. Typpipitoisuuksiin, veden väriin tai näkösyvyyteen kalastus ei vaikuttanut. Tehokalastuksella voidaan parantaa Lappajärven tilaa, mutta kalastuksen on oltava jatkuvaa. Saalistavoitteeksi voisi riittää n. 20-30 kg/ha vuodessa, mutta samalla on jatkettava ulkoisen kuormituksen vähentämistä. Kalastuksen tulisi kohdistua arvokalojen lisäksi myös vähempiarvoisiin kalalajeihin ja samalla on tuettava petokalakantojen vahvistumista.

Diel patterns and tissue-specificity of environmental responses in fish

Humans are profoundly changing aquatic environments through climate change and the release of nutrients and chemicals. To understand the effects of these changes on natural populations, knowledge on individuals’ environmental responses is needed. At the molecular level, the environmental responses are partly mediated by chances in messenger RNA and protein levels. In this thesis I study messenger RNA and protein responses to an assortment of environmental stressors in fish. As daily (diel) rhythms are known to be ubiquitous in different tissues, I particularly focus on diel patterns in the responses. The studied species are the three-spined stickleback (Gasterosteus aculeatus L.) and the Arctic char (Salvelinus alpinus L.), both of which have circumpolar distribution in the Northern hemisphere. In the first two studies, three-spined sticklebacks were exposed to both the non-steroidal anti-inflammatory drug diclofenac and low-oxygen conditions (hypoxia), and their responses measured at separate time points in the liver and gills. The results show how the seemingly unrelated environmental stressors, hypoxia and anti-inflammatory drugs, can have harmful combined effects that differ from the effects of each stressor alone. Moreover, both stressors disturbed natural diel patterns in gene expression. In the third study, I studied the responses of three-spined sticklebacks to two test chemicals: one used in hormonal medicine (17α-ethinyl-oestradiol) and one used as a plasticizer and solvent chemical (di-n-butyl phthalate). The results suggest that the phthalate can affect genes related to spermatogenesis in fish testes, while estrogen-mimicking compounds can lead to numerous disturbances in the endocrine system. In the final study, the temperature-dependence of diel rhythms in messenger RNA levels were evaluated in the liver tissue of the Arctic char, a cold-adapted salmonid. The results show that cold acclimation repressed diel rhythms in gene expression compared to warm-acclimated fish, in which the expression of hundreds of genes was rhythmic, suggesting the circadian clock of the Arctic fish species can be sensitive to temperature. Overall, the results of the thesis indicate that fishes’ responses to abiotic factors interact with their diel rhythms, and more studies on the consequences of these interactions are needed to comprehensively understand human impacts on ecosystems.

Streptococcus agalactiae (GBS) PNA FISH -tekniikan soveltuminen B-ryhmän streptokokin tunnistukseen

B-ryhmän beetahemolyyttinen streptokokki (GBS = Group B Streptococcus, Streptococcus agalactiae)aiheuttaa vakavia infektioita yleensä astasyntyneillä. Tartunta saadaan yleensä synnytyskanavasta ja riskitekijöinä ovat muun muassa keskosuus, ennenaikainen lapsivedenmeno ja äidin runsas Bstreptokokkikolonisaatio emättimessä. Bakteerin tunnistukseen käytetään tällä hetkellä viljelytekniikkaa, jonka tulos saadaan vasta 24-48 tunnin kuluttua. Opinnäytetyöni tarkoituksena on tutkia uutta ja nopeampaa tunnistusmenetelmää: GBS PNA FISH - tekniikkaa (Peptide Nucleic Acid Fluorescence in Situ Hybridization). Tarkoituksena on tutkia tekniikan spesifiteettiä ja sensitiviteettiä. Tekniikan spesifiteettiä tutkitaan B-ryhmän beetahemolyyttisellä streptokokilla sekä kuudella muulla emättimen normaaliflooraan kuuluvalla bakteerilajilla. Yhteensä bakteerikantoja on tutkimuksessa mukana 48 kappaletta. Tämän lisäksi tutkitaan myös tekniikan sensitiviteettiä, jota tutkitaan bakteereista tehdyn laimennossarjan avulla. Sensitiviteetti tutkitaan bakteeriseoksesta, jonne on B-ryhmän beetahemolyyttisen streptokokin lisäksi lisätty muita emättimen normaaliflooran bakteereita. Lisäksi sensitiviteetti tutkitaan pelkällä B-ryhmän beetahemolyyttisellä streptokokilla käyttäen sekä normaalia että bakteerin rikastusmenetelmää. Testeistä saadut tulokset tulkitaan fluoresenssimikroskoopin avulla. GBS PNA FISH -tekniikan spesifiteetti todettiin erittäin hyväksi. Tekniikka tunnisti kaikki B-ryhmän beetahemolyyttiset streptokokit positiivisiksi ja kaikki muut lajit antoivat negatiivisen tuloksen. B-streptokokin positiivisuus oli erotettavissa mikroskopoitaessa vahvana fluoresointina, kun taas muut lajit eivät fluoresoineet lainkaan. GBS PNA FISH -tekniikan sensitiivisyyden tulokset eivät kuitenkaan täyttäneet odotuksia. Ainoastaan bakteerin rikastusmenetelmällä saadut tulokset olivat loistavia, mutta bakteeriseoksella ja pelkällä B-ryhmän beetahemolyyttisellä streptokokilla saadut tulokset olivat lähes olemattomia. Rikastusmenetelmän kaikki laimennokset fluoresoivat positiivisina, kun taas muissa tapauksissa vain vahvin liuos antoi jonkinlaista positiivista fluoresointia. GBS PNA FISH -tekniikan spesifiteetti todettiin hyväksi. Tekniikan sensitiviteetti ei kuitenkaan vastaa käyttötarkoitusta ja todellisessa tilanteessa tekniikka ei pystyisi tunnistamaan sille spesifistä bakteeria muiden bakteerien joukosta.

Microsatellite variations of Quercus aquifolioides populations at varying altitudes in the Wolong Natural Reserve of China

Abstract