Sähkön ja lämmön yhteistuotanto biopolttoaineilla, alueellinen selvitys - Tutkimusraportti

Globaali ilmaston lämpeneminen ja tunnettujen energiavarojen ehtyminen ovat lisääntyvässä määrin maailmanlaajuisia huolenaiheita. Tietoisuus kulutuksen kasvun ja fossiilisten polttoaineiden käytön aiheuttamasta ympäristönmuutoksesta on merkittävästi kasvanut, ja osana kestävää kehitystä Euroopan Unionin vuoden 2020 välitavoitteena on vähentää kasvihuonepäästöjä 20 prosentilla vuoden 1990 tasosta, parantaa energiatehokkuutta 20 prosentilla, ja lisätä uusiutuvien energialähteiden osuus 20 prosenttiin. Suomen sitovaksi tavoitteeksi EU on määritellyt uusiutuvan energian osuudeksi 38 % kokonaisenergian kulutuksesta vuoteen 2020 mennessä. Suomen tavoitetta voi pitää varsin haasteellisena ja näin ollen tavoitteiden saavuttaminen edellyttää myös, että Suomessa käyttöönotetaan monipuolisia energiatehokkuutta parantavia ja erilaista tuotantoteknologiaa hyödyntäviä ratkaisuja. Biopolttoaineita käyttävä pienen kokoluokan yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto (CHP) voi osaltaan tarjota yhden ratkaisun varmistaa kestävä kehitys. Hajautetusti toimivat kiinteää biopolttoainetta, kuten metsätähdehaketta esimerkiksi maatiloilla, kasvihuoneilla ja pkteollisuudessa käyttävät pien-CHP laitokset lisäävät energiaomavaraisuutta, työllisyyttä ja maaseudun elinvoimaa. Sähkön ja lämmön yhteistuotanto – hankekokonaisuus sisälsi kolme erillistä projektia; (1) Bio-CHP tutkimus- ja opetuslaboratorion kehittäminen, (2) Biovoima Innoverkko, ja (3) Sähkön ja lämmön yhteistuotanto biopolttoaineilla, alueellinen selvitys. Näissä projekteissa on (1) tutkittu, koekäytetty, testattu ja mallinnettu pienen kokoluokan (laitoksen polttoaineteho alle 3 MW) CHP-laitteistoa laboratorio-olosuhteissa, (2) koulutettu ja konsultoitu potentiaalisia asiakkaita, laitevalmistajia ja energiayrityksiä sekä (3) kartoitettu markkinapotentiaalia, potentiaalisia asiakkaita ja alan toimijoita sekä tehty esiselvityksiä käyttökohteiden kannattavuudesta. Hankekokonaisuuden yhteydessä Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa laboratoriossa koekäytössä oleva CHPratkaisu perustuu Stirling-moottorin tai vaihtoehtoisesti mikroturbiinin käyttöön hakelämmityskattilalaitoksen yhteydessä. Kaupalliseen vaiheeseen edetessään pienen kokoluokan CHP-tuotanto voidaan arvioida kannattavaksi, koska sen avulla voidaan muun muassa saavuttaa kustannussäästöjä, vähentää päästöjä, ja lisätä sähköntuotannon omavaraisuutta sekä tukea alueellista työllisyyttä. Tässä hankkeessa (3) tutkittiin pienen kokoluokan hajautetun CHP-teknologian markkinapotentiaalia yleisesti Suomessa ja Kaakkois-Suomessa, tarkasteltiin alueellisia primäärienergialähteitä, ja tutkittiin laitetoimittajia, energiayrityksiä sekä niiden liiketoimintaverkostoja. Alueellisen selvityksen tueksi tutkittavia asioita tarkasteltiin osittain myös laajemmin muun muassa vertaisarvioinnin ja riittävän suuren otoskoon varmistamiseksi. Hankkeessa konsultoitiin potentiaalisia CHP-käyttökohteita ja tehtiin esiselvitykset kahdeksan kohteen teknis-taloudellisesta kannattavuudesta. Konsultoinneissa ja esiselvityksissä hyödynnettiin kehitettyä teknis-taloudellista laskentamallia. Hankkeen tulosten pohjalta laadittiin yleisohje soveltuvuusselvitysten tekemiseksi sekä suositus bioenergian alueelliseksi kehittämiseksi hajautetussa CHP-tuotannossa. Vuoden 2011 alussa voimaan tullut laki uusiutuvilla energialähteillä tuotetun sähkön tuotantotuesta on tarkoitettu tukemaan tuulivoimalla, biokaasulla ja puupolttoaineella tuotettua sähkön tuotantoa. Syöttötariffijärjestelmään hyväksytty sähkön tuottaja osallistuisi sähkömarkkinoille, ja tuottajalle maksettaisiin määräajan tukea markkinahinnan ja tuotantokustannusten välisen eron kattamiseksi. Jotta metsähakevoimala yleisten kelpoisuusehtojen täytyttyä voitaisiin hyväksyä syöttötariffin piiriin, pitää lisäksi laitoksen generaattoreiden nimellistehon olla vähintään 100 kW. Nykytekniikalla ja nykyisillä laitosten hyötysuhteilla tämä tarkoittaa sitä, että CHP-laitoksen kokonaistehon tulisi olla suuruusluokaltaan noin 500 kW. Näin ollen syöttötariffijärjestelmä ei kannusta pienimpiä laitoksia bioenergialla tuotetun sähkön myyntiin, ja näissä tapauksissa onkin arvioitava ainoastaan omakäyttösähkön merkitystä. Lämpö- ja CHP-laitosten polttoaineen hankintaketjua tuleva laki pienpuun energiatuesta (Petu) on hyväksytty eduskunnassa ja tulee voimaan asetuksella, mikäli Euroopan komissio hyväksyy uuden valtiontukijärjestelmän. Pienpuun energiatuki korvaa aiemmat Kemera-lain mukaiset korjuu- ja haketustuet. Tukea maksetaan nuoren metsän hoidon tai ensiharvennuksen yhteydessä saatavasta energiapuusta, mutta ei päätehakkuiden energiapuusta. Maa- ja puutarhataloudessa potentiaalisimpia käyttökohteita ovat suurehkot sika- ja siipikarjatilat, joiden lämmön ja sähkön kulutus on jo merkittävää. Kasvihuoneet ovat jo keskikokoisina huomattavia sähkön ja lämmön kuluttajia, ja siten potentiaalisia kohteita. Yleisesti tilojen määrän ennustetaan jo lähivuosien aikana vähenevän ja tilakoon kasvavan merkittävästi. Suurempi yksikkökoko luonnollisesti merkitsee mahdollisesti parantuneesta energiatehokkuudesta huolimatta yleensä suurempaa energian tarvetta ja siten potentiaalista kiinteää biomassaa käyttävää CHP-kohdetta. Pk-teollisuudessa luontevia käyttökohteita ovat esimerkiksi mekaanisen metsäteollisuuden laitokset sekä yleisestikin teollisuuskohteet, joiden energian kulutus on kohtalainen ja suhteellisen tasainen. Niin ikään suurehkot kiinteistöt, kuten esimerkiksi hotellit ja vanhainkodit, ovat potentiaalisia käyttökohteita. Olemassa olevat aluelämpölaitokset voivat ottaa CHP-teknologian käyttöön esimerkiksi laitoksen peruskorjauksen tai uusimisen yhteydessä. Kaiken kaikkiaan Kaakkois-Suomessa voidaan arvioida olevan maatiloilla, kasvihuoneissa, pk-teollisuudessa ja lämpölaitoksissa yhteensä useita kymmeniä potentiaalisia käyttökohteita. Arvioitaessa Kaakkois-Suomen kiinteitä bioenergiapotentiaaleja, keskeisin on metsäenergia, jonka teknistaloudellinen potentiaali on arvioitu olevan alle 2000 GWh, mitä voidaan pitää varsin konservatiivisena arviona. Peltoenergiapotentiaaliksi on arvioitu noin 400 GWh. Metsätähdehaketta kuljetetaan myös maakuntien välillä, vaikka kuljetusmatkat tulisi rajoittaa enintään 50–100 km etäisyydelle käyttöpaikasta kannattavuuden turvaamiseksi. Energiapuun voidaan arvioida riittävän pienen kokoluokan CHPteknologian lisääntyvään tarpeeseen, mutta alueellisesti polttoaineen saatavuuteen ja hintaan vaikuttavat olennaisesti esimerkiksi suurten CHP-laitosten mahdollisesti lisääntyvä metsähakkeen käyttö. Metsäteollisuuden ainespuun käytöllä on keskeinen rooli energiapuun saantoon. Lisäksi metsänomistajien todellinen halukkuus energiapuun myyntiin vaihtelee, ja esimerkiksi kantojen hyödyntäminen biopolttoaineena jakaa mielipiteitä. Hankkeessa tutkittiin ja haastateltiin 26 lämpöyritystä ja 26 lämpölaitostoimittajaa eri puolella Suomea sekä 19 potentiaalista CHP-laitevalmistajaa Kaakkois-Suomessa. Lämpöyrittäjyys on varsin paikallista toimintaa, joka on voimakkaasti kasvamassa. Lämpöyrittäjien hoitamia kohteita on Suomessa tällä hetkellä noin 450. Lämpölaitoksen ja lämpöverkon omistaa usein esimerkiksi kunta, ja lämpöyrittäjä hankkii polttoaineen, huolehtii laitoksen toiminnasta ja saa tuoton myydystä energiasta. Tyypillisesti lämpöyrityksellä ja –yrittäjällä on yhteistyötä paitsi polttoainetoimittajien ja asiakkaidensa kanssa, niin myös erilaisia huolto- ja muita palveluita tarjoavien tahojen, lämpölaitoksen kokonais- ja komponenttitoimittajien, ja muiden lämpöyrittäjien kanssa. Merkittävimmät laitevalmistajat ovat maantieteellisesti painottuneet Länsi- ja Etelä- Suomeen. Valmistajat ovat pääosin pk-yrityksiä, joista muutama on osa isompaa konsernia. Yritykset valmistavat tyypillisesti muun muassa lämpökattiloita, poltinteknologiaa, kuljettimia ja automaatiojärjestelmiä. Harva yritys valmistaa kaikki lämpölaitoksen komponentit itse, mutta useat kykenevät suunnittelemaan ja toimittamaan asiakkaille kokonaisia laitoksia avaimet käteen periaatteella liiketoimintaverkostojaan hyödyntäen. Laajimmillaan yritysten liiketoimintaverkostoihin voi kuulua asiakkaita, alihankkijoita, muita laitevalmistajia, kilpailijoita ja muita palveluiden tarjoajia. Kaakkois-Suomessa on huomattava yrityskanta konepaja-, automaatio-, hydrauliikka-, sähkö- ja LVI-yrityksiä, ja osa näistä yrityksistä on toiminut muun muassa metsäteollisuuden alihankkijoina. Metsäteollisuuden rakennemuutoksen myötä yritykset joutuvat osittain suuntaamaan liiketoimintaansa muualle, ja kyseisillä yrityksillä on perusosaamista ja kyvykkyyttä palvella energia-alaa, kuten esimerkiksi toimittaa komponentteja, laitteita tai palveluita CHP-laitostoimituksiin. Liiketoiminnan suuntaaminen uudelle toimialalle ja mahdollisten omien tuotteiden suunnittelu, valmistus ja markkinointi edellyttää kuitenkin merkittäviä panostuksia ja riskinsietokykyä. Kaiken kaikkiaan tutkitut lämpöyritykset, laitostoimittajat ja potentiaaliset laitetoimittajat suhtautuivat varovaisen positiivisesti pien-CHP:n tarjoamiin mahdollisuuksiin. Pien-CHP teknologian todettiin vielä vaativan kuitenkin kehittämistä, ja toisaalta yhteiskunnan tukitoimenpiteet nähtiin välttämättöminä, jotta bioenergiaa hyödyntävät pien-CHP ratkaisut voisivat yleistyä. Hankkeessa tutkittiin syvällisemmin erityyppisiä potentiaalisia bio-CHP kohteita, joista tehtiin esiselvitystasoiset soveltuvuus- ja kannattavuusarviot. Halukkuutta esiselvitysten tekemiseen olisi potentiaalisilta asiakkailta todennäköisesti löytynyt enemmän, mikäli bioenergiaa hyödyntävät pienen kokoluokan CHP-ratkaisut olisivat olleet lähempänä kaupallista sovellusta ja yhteiskunnan tukijärjestelmät bioenergialle valmiimpia sekä kattaneet paremmin myös pienen kokoluokan laitokset. Käyttökohteet olivat hyvin yksilöllisiä eikä niiden perusteella ollut mahdollista muodostaa yleispätevää mallia soveltuvuuden ja kannattavuuden arvioimiseksi. Teknologisten ratkaisujen vielä kehittyessä tarkkoja arvioita laitekustannuksista ei niin ikään ollut mahdollista esittää. Voidaan kuitenkin arvioida, että laitehinnat tulevat merkittävästi alenemaan kaupallisten ratkaisujen yleistyessä. Käyttökohteen kannattavuutta eivät itsestään selvästi turvaa myöskään yhteiskunnan tukijärjestelmät, vaikka laitos kuuluisikin kyseisten tukien piiriin. Olennaista investoinnin kannattavuuden kannalta on riittävän iso ja tasainen sähkön ja lämmön kulutus käyttökohteessa sekä polttoaineen ja energiahintojen tuleva kehitys. Kiinteitä biopolttoaineita kuten metsähaketta käyttävä pienen kokoluokan hajautettu CHP-teknologia on vielä kehittymässä, ja mennee vielä muutama vuosi ennen kuin kaupalliset ratkaisut yleistyvät merkittävästi. Yhteiskunnan tukimuodot kuten esimerkiksi syöttötariffijärjestelmä eivät niin ikään parhaalla mahdollisella tavalla tue kaikkein pienimmän kokoluokan CHP-investointeja. Pien-CHP ratkaisujen kaupallistumisen myötä Kaakkois-Suomella on yhtäläiset mahdollisuudet yhdessä muun Suomen kanssa kehittyä hajautetun bioenergian entistä kokonaisvaltaisemmaksi hyödyntäjäksi Avainsanat: sähkön ja lämmön yhteistuotanto, combined heat and power (CHP), mikroturbiini, stirling, syöttötariffi, biopolttoaine, metsähake, lämpöyrittäjä, lämpölaitosvalmistaja, maatila

Taivaankannen pikakiitäjä

Kirjallisuusarvostelu

Introduced taxa in disturbed ecosystems

In the literature, introduced taxa are assumed to be present, more abundant, and occupy greater physical space in portions of ecosystems disturbed by human activity. This study tested this principle in two sites, Short Hills provincial Park ("SHU) and Backus Woods ("B~l"). spatial distribution of introduced taxa of vegetation, isopods, and earthworms was determined with the runs test along 300m transects encompassing gradients of anthropogenic disturbance severity. The hypothesis was that introduced taxa would be aggregated along these transects; the null hypothesis was that they would not be aggregated. The null hypothesis was rejected for the introduced taxa as a unit, and vegetation and earthworms individually. Introduced taxa were aggregated along 53.33% (N~30) and 57.14% (N~21) of the transects in SH and BW (respectively). Introduced vegetation (90.00%, N~10 and 100.00%, N~7) and earthworms (50.00%, N~10 and 50.00%, N~8) were also significantly aggregated within the sites. Introduced isopods, however, were not significantly aggregated at either place (20. 00%, N-=10 and 16. 67%, ~J~6). This study demonstrated that introduced taxa are aggregated within ecosystems disturbed by human activity. However, since introduced isopods were not significantly aggregated it was also shown that taxa respond differently.

Tamizaje neonatal para fibrosis quística en una muestra de la ciudad de Bogotá

La Fibrosis Quística es la enfermedad autosómica recesiva mas frecuente en caucásicos. En Colombia no se conoce la incidencia de la enfermedad, pero investigaciones del grupo de la Universidad del Rosario indican que podría ser relativamente alta. Objetivo: Determinar la incidencia de afectados por Fibrosis Quística en una muestra de recién nacidos de la ciudad de Bogotá. Metodología: Se analizan 8.297 muestras de sangre de cordón umbilical y se comparan tres protocolos de tamizaje neonatal: TIR/TIR, TIR/DNA y TIR/DNA/TIR. Resultados: El presente trabajo muestra una incidencia de 1 en 8.297 afectados en la muestra analizada. Conclusiones: Dada la relativamente alta incidencia demostrada en Bogotá, se justifica la implementación de Tamizaje Neonatal para Fibrosis Quística en Colombia.

The sea-level conundrum: case studies from palaeo-archives

Uncertainties in sea-level projections for the 21st century have focused ice sheet modelling efforts to include the processes that are thought to be contributing to the recently observed rapid changes at ice sheet margins. This effort is still in its infancy, however, leaving us unable to make reliable predictions of ice sheet responses to a warming climate if such glacier accelerations were to increase in size and frequency. The geological record, however, has long identified examples of nonlinear ice sheet response to climate forcing (Shackleton NJ, Opdyke ND. 1973. Oxygen isotope and paleomagnetic stratigraphy of equatorial Pacific core V28–239, late Pliocene to latest Pleistocene. Geological Society of America Memoirs145: 449–464; Fairbanks RG. 1989. A 17,000 year glacio-eustatic sea level record: influence of glacial melting rates on the Younger Dryas event and deep ocean circulation. Nature342: 637–642; Bard E, Hamelin B, Arnold M, Montaggioni L, Cabioch G, Faure G, Rougerie F. 1996. Sea level record from Tahiti corals and the timing of deglacial meltwater discharge. Nature382: 241–244), thus suggesting an alternative strategy for constraining the rate and magnitude of sea-level change that we might expect by the end of this century. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.

Understanding and representing atmospheric convection across scales: recommendations from the meeting held at Dartington Hall, Devon, UK, 28–30 January 2013

As weather and climate models move toward higher resolution, there is growing excitement about potential future improvements in the understanding and prediction of atmospheric convection and its interaction with larger-scale phenomena. A meeting in January 2013 in Dartington, Devon was convened to address the best way to maximise these improvements, specifically in a UK context but with international relevance. Specific recommendations included increased convective-scale observations, high-resolution virtual laboratories, and a system of parameterization test beds with a range of complexities. The main recommendation was to facilitate the development of physically based convective parameterizations that are scale-aware, non-local, non-equilibrium, and stochastic.

Storage proteins and cell wall mobilisation in seeds of Sesbania virgata (Cav.) Pers. (Leguminosae)

The endosperm of seeds of Sesbania virgata (Cav.) Pers. accumulates galactomannan as a cell wall storage polysaccharide. It is hydrolysed by three enzymes, one of them being alpha-galactosidase. A great amount of protein bodies is found in the cytoplasm of endospermic cells, which are thought to play the major role as a nitrogen reserve in this seed. The present work aimed at understanding how the production of enzymes that degrade storage compounds is controlled. We performed experiments with addition of inhibitors of transcription (actinomycin-d and alpha-amanitin) and translation (cycloheximide) during and after germination. In order to follow the performance of storage mobilisation, we measured fresh mass, protein contents and alpha-galactosidase activity. All the inhibitors tested had little effect on seed germination and seedling development. Actinomycin-d and cycloheximide provoked a slight inhibition of the storage protein degradation and concomitantly lead to an elevation of the alpha-galactosidase activity. Although alpha-amanitin showed some effect on seedling development at latter stages, it presented the former effect and did not change galactomannan degradation performance. Our data suggest that some of the proteases may be synthesised de novo, whereas alpha-galactosidase seems to be present in the endosperm cells probably as an inactive polypeptide in the protein bodies, being probably activated by proteolysis when the latter organelle is disassembled. These evidences suggest the existence of a connection between storage proteins and carbohydrates mobilisation in seeds of S. virgata, which would play a role by assuring a balanced afflux of the carbon and nitrogen to the seedling development.

Brumadoite, a new copper tellurate hydrate, from Brumado, Bahia, Brazil

Brumadoite, ideally Cu(2)Te(6+)O(4)(OH)(4)center dot 5H(2)O, is a new mineral from Pedra Preta mine, Serra das Eguas, Brumado, Bahia, Brazil. It occurs as microcrystalline aggregates both on and, rarely, pseudomorphous after coarse-grained magnesite, associated with mottramite and quartz. Crystals are platy, subhedral, 1-2 mu m in size. Brumadoite is blue (near RHS 114B), has a pale blue streak and a vitreous lustre. It is transparent to translucent and does not fluoresce. The empirical formula is (Cu(2.90)Pb(0.04)Ca(0.01))(Sigma 2.95) (Te(0.93)(6+)Si(0.05))(Sigma 0.98)O(3.92)(OH)(3.84)center dot 5.24H(2)O. Infrared spectra clearly show both (OH) and H(2)O. Microchemical spot tests using a KI Solution show that brumadoite has tellurium in the 6(+) state. The mineral is monoclinic, P2(1)/m or P2(1). Unit-cell parameters refined from X-ray powder data are a 8.629(2) angstrom, b 5.805(2) angstrom, c 7.654(2) angstrom, beta 103.17(2)degrees, V 373.3(2) angstrom(3), Z = 2. The eight strongest X-ray powder-diffraction lines [d in angstrom, (l),(hkl)] are: 8.432,(100),(100); 3.162,(66),((2) over bar 02); 2.385,(27),(220); 2.291,((1) over bar 12),(22); 1.916,(11),(312); 1.666,(14),((4) over bar 22,114); 1.452,(10), (323, 040); 1.450,(10),(422,403). The name is for the type locality, Brumado, Bahia, Brazil. The new mineral species has been approved by the CNMNC (IMA 2008-028).

Techno-economic Appraisal of Concentrating Solar Power Systems (CSP)

The diffusion of Concentrating Solar Power Systems (CSP) systems is currently taking place at a much slower pace than photovoltaic (PV) power systems. This is mainly because of the higher present cost of the solar thermal power plants, but also for the time that is needed in order to build them. Though economic attractiveness of different Concentrating technologies varies, still PV power dominates the market. The price of CSP is expected to drop significantly in the near future and wide spread installation of them will follow. The main aim of this project is the creation of different relevant case studies on solar thermal power generation and a comparison betwwen them. The purpose of this detailed comparison is the techno-economic appraisal of a number of CSP systems and the understanding of their behaviour under various boundary conditions. The CSP technologies which will be examined are the Parabolic Trough, the Molten Salt Power Tower, the Linear Fresnel Mirrors and the Dish Stirling. These systems will be appropriatly sized and simulated. All of the simulations aim in the optimization of the particular system. This includes two main issues. The first is the achievement of the lowest possible levelized cost of electricity and the second is the maximization of the annual energy output (kWh). The project also aims in the specification of these factors which affect more the results and more specifically, in what they contribute to the cost reduction or the power generation. Also, photovoltaic systems will be simulated under same boundary conditions to facolitate a comparison between the PV and the CSP systems. Last but not leats, there will be a determination of the system which performs better in each case study.

Human face verification based on multidimensional Polynomial Powers of Sigmoid (PPS)

In this paper, we described how a multidimensional wavelet neural networks based on Polynomial Powers of Sigmoid (PPS) can be constructed, trained and applied in image processing tasks. In this sense, a novel and uniform framework for face verification is presented. The framework is based on a family of PPS wavelets,generated from linear combination of the sigmoid functions, and can be considered appearance based in that features are extracted from the face image. The feature vectors are then subjected to subspace projection of PPS-wavelet. The design of PPS-wavelet neural networks is also discussed, which is seldom reported in the literature. The Stirling Universitys face database were used to generate the results. Our method has achieved 92 % of correct detection and 5 % of false detection rate on the database.

A história da origem da curva normal

Pós-graduação em Educação Matemática - IGCE

Health Assessment of Weddell Seals, Leptonychotes weddellii, in McMurdo Sound, Antarctica

The demography of Weddell seals in eastern McMurdo Sound, Antarctica, has been well studied during the past three decades (e.g. Stirling 1971; Siniff et al. 1977; Testa and Siniff 1987; Hastings and Testa 1998; Gelatt et al. 2001). Detailed life-history data are available on thousands of seals tagged as pups in McMurdo Sound, making this population a rich resource for wildlife health studies because health parameters can be evaluated in the light of reproductive histories and genetic relationships of several generations of tagged seals. Recently, evidence of exposure to diseases generally associated with domestic animals and feral wildlife has been detected in Antarctic wildlife (Austin and Webster 1993; Olsen et al. 1996; Gardner et al. 1997; Retamal et al. 2000; Foster et al. 2002) and this has generated concern and debate regarding the risks of disease introduction to Antarctic wildlife. Antibodies to viruses that have caused large die-offs in phocids in other areas of the world have been detected in Weddell seals (Bengtson et al. 1991), and there is a historical report of a mass die-off of crabeater seals that may have had a viral etiology (Laws and Taylor 1957).

History and fate of a small isolated population of Weddell seals at White Island, Antarctica

Weddell seals (Leptonychotes weddellii Lesson) at White Island, Antarctica form a small, completely enclosed, natural population hypothesized to be of recent origin, likely founded by individuals from nearby Erebus Bay. This population constitutes an ideal model to document a founder event and ensuing genetic drift, with implications for conservation. Here we combined historical accounts, census and tagging data since the late 1960s, and genetic data (41 microsatellite loci and mitochondrial DNA sequences) from 84 individuals representing nearly all individuals present between 1990 and 2000 to investigate the history of the founding of the White Island population, document its population dynamics and evaluate possible future threats. We fully resolved parental relationships over three overlapping generations. Cytonuclear disequilibrium among the first generation suggested that it comprised the direct descendants of a founding group. We estimated that the White Island population was founded by a small group of individuals that accessed the island during a brief break in the surrounding sea ice in the mid-1950s, consistent with historical accounts. Direct and indirect methods of calculating effective population size were highly congruent and suggested a minimum founding group consisting of three females and two males. The White Island population showed altered reproductive dynamics compared to Erebus Bay, including highly skewed sex ratio, documented inbred mating events, and the oldest known reproducing Weddell seals. A comparison with the putative source population showed that the White Island population has an effective inbreeding coefficient (Fe) of 0.29. Based on a pedigree analysis including the hypothesized founding group, 86% of the individuals for whom parents were known had inbreeding coefficients ranging 0.09–0.31. This high level of inbreeding was correlated with reduced pup survival. Seals at White Island therefore face the combined effects of low genetic variability, lack of immigration, and inbreeding depression. Ultimately, this study provides evidence of the effects of natural isolation on a large, long-lived vertebrate and can provide clues to the potential effects of anthropogenic- caused isolation of similar taxa.