Harmful algae in the planktonic food web of the Baltic Sea

This study deals with algal species occurring commonly in the Baltic Sea: haptophyte Prymnesium parvum, dinoflagellates Dinophysis acuminata, D. norvegica and D. rotundata, and cyanobacterium Nodularia spumigena. The hypotheses are connected to the toxicity of the species, to the factors determining toxicity, to the consequences of toxicity and to the transfer of toxins in the aquatic food web. Since the Baltic Sea is severely eutrophicated, the fast-growing haptophytes have potential in causing toxic blooms. In our studies, the toxicity (as haemolytic activity) of the haptophyte P. parvum was highest under phosphorus-limited conditions, but the cells were toxic also under nitrogen limitation and under nutrient-balanced growth conditions. The cellular nutrient ratios were tightly related to the toxicity. The stoichiometric flexibility for cellular phosphorus quota was higher than for nitrogen, and nitrogen limitation led to decreased biomass. Negative allelopathic effects on another algae (Rhodomonas salina) could be observed already at low P. parvum cell densities, whereas immediate lysis of R. salina cells occurred at P. parvum cell densities corresponding to natural blooms. Release of dissolved organic carbon from the R. salina cells was measured within 30 minutes, and an increase in bacterial number and biomass was measured within 23 h. Because of the allelopathic effect, formation of a P. parvum bloom may accelerate after a critical cell density is reached and the competing species are eliminated. A P. parvum bloom indirectly stimulates bacterial growth, and alters the functioning of the planktonic food web by increasing the carbon transfer through the microbial loop. Our results were the first reports on DSP toxins in Dinophysis cells in the Gulf of Finland and on PTX-2 in the Baltic Sea. Cellular toxin contents in Dinophysis spp. ranged from 0.2 to 149 pg DTX-1 cell-1 and from 1.6 to 19.9 pg PTX-2 cell-1 in the Gulf of Finland. D. norvegica was found mainly around the thermocline (max. 200 cells L-1), whereas D. acuminata was found in the whole mixed layer (max. 7 280 cells L-1). Toxins in the sediment trap corresponded to 1 % of DTX-1 and 0.01 % PTX-2 of the DSP pool in the suspended matter. This indicates that the majority of the DSP toxins does not enter the benthic community, but is either decomposed in the water column, or transferred to higher trophic levels in the planktonic food chain. We found that nodularin, produced by Nodularia spumigena, was transferred to the copepod Eurytemora affinis through three pathways: by grazing on filaments of small Nodularia, directly from the dissolved pool, and through the microbial food web by copepods grazing on ciliates, dinoflagellates and heterotrophic nanoflagellates. The estimated proportion of the microbial food web in nodularin transfer was 22-45 % and 71-76 % in our two experiments, respectively. This highlights the potential role of the microbial food web in the transfer of toxins in the planktonic food web.

Environmental effects of thermal and radioactive discharges from nuclear power plants in the boreal brackish-water conditions of the northern Baltic Sea

During recent decades, thermal and radioactive discharges from nuclear power plants into the aquatic environment have become the subject of lively debate as an ecological concern. The target of this thesis was to summarize the large quantity of results obtained in extensive monitoring programmes and studies carried out in recipient sea areas off the Finnish nuclear power plants at Loviisa and Olkiluoto during more than four decades. The Loviisa NPP is located on the coast of the Gulf of Finland and Olkiluoto NPP on that of the Bothnian Sea. The state of the Gulf of Finland is clearly more eutrophic; the nutrient concentrations in the surface water are about 1½ 2 times higher at Loviisa than at Olkiluoto, and the total phosphorus concentrations still increased in both areas (even doubled at Loviisa) between the early 1970s and 2000. Thus, it is a challenge to distinguish the local effects of thermal discharges from the general eutrophication process of the Gulf of Finland. The salinity is generally low in the brackish-water conditions of the northern Baltic Sea, being however about 1 higher at Olkiluoto than at Loviisa (the salinity of surface water varying at the latter from near to 0 in early spring to 4 6 in late autumn). Thus, many marine and fresh-water organisms live in the Loviisa area close to their limit of existence, which makes the biota sensitive to any additional stress. The characteristics of the discharge areas of the two sites differ from each other in many respects: the discharge area at Loviisa is a semi-enclosed bay in the inner archipelago, where the exchange of water is limited, while the discharge area at Olkiluoto is more open, and the exchange of water with the open Bothnian Sea is more effective. The effects of the cooling water discharged from the power plants on the temperatures in the sea were most obvious in winter. The formation of a permanent ice cover in the discharge areas has been delayed in early winter, and the break-up of the ice occurs earlier in spring. The prolonging of the growing season and the disturbance of the overwintering time, in conditions where the biota has adjusted to a distinct rest period in winter, have been the most significant biological effects of the thermal pollution. The soft-bottom macrofauna at Loviisa has deteriorated to the point of almost total extinction at many sampling stations during the past 40 years. A similar decline has been reported for the whole eastern Gulf of Finland. However, the local eutrophication process seems to have contributed into the decline of the zoobenthos in the discharge area at Loviisa. Thermal discharges have increased the production of organic matter, which again has led to more organic bottom deposits. These have in turn increased the tendency of the isolated deeps to a depletion of oxygen, and this has further caused strong remobilization of phosphorus from the bottom sediments. Phytoplankton primary production and primary production capacity doubled in the whole area between the late 1960s and the late 1990s, but started to decrease a little at the beginning of this century. The focus of the production shifted from spring to mid- and late summer. The general rise in the level of primary production was mainly due to the increase in nutrient concentrations over the whole Gulf of Finland, but the thermal discharge contributed to a stronger increase of production in the discharge area compared to that in the intake area. The eutrophication of littoral vegetation in the discharge area has been the most obvious, unambiguous and significant biological effect of the heated water. Myriophyllum spicatum, Potamogeton perfoliatus and Potamogeton pectinatus, and vigorous growths of numerous filamentous algae as their epiphytes have strongly increased in the vicinity of the cooling water outlet, where they have formed dense populations in the littoral zone in late summer. However, the strongest increase of phytobenthos has extended only to a distance of about 1 km from the outlet, i.e., the changes in vegetation have been largest in those areas that remain ice-free in winter. Similar trends were also discernible at Olkiluoto, but to a clearly smaller extent, which was due to the definitely weaker level of background eutrophy and nutrient concentrations in the Bothnian Sea, and the differing local hydrographical and biological factors prevailing in the Olkiluoto area. The level of primary production has also increased at Olkiluoto, but has remained at a clearly lower level than at Loviisa. In spite of the analogous changes observed in the macrozoobenthos, the benthic fauna has remained strong and diversified in the Olkiluoto area. Small amounts of local discharge nuclides were regularly detected in environmental samples taken from the discharge areas: tritium in seawater samples, and activation products, such as 60Co, 58Co, 54Mn, 110mAg, 51Cr, in suspended particulate matter, bottom sediments and in several indicator organisms (e.g., periphyton and Fucus vesiculosus) that effectively accumulate radioactive substances from the medium. The tritium discharges and the consequent detection frequency and concentrations of tritium in seawater were higher at Loviisa, but the concentrations of the activation products were higher at Olkiluoto, where traces of local discharge nuclides were also observed over a clearly wider area, due to the better exchange of water than at Loviisa, where local discharge nuclides were only detected outside Hästholmsfjärden Bay quite rarely and in smaller amounts. At the farthest, an insignificant trace amount (0.2 Bq kg-1 d.w.) of 60Co originating from Olkiluoto was detected in Fucus at a distance of 137 km from the power plant. Discharge nuclides from the local nuclear power plants were almost exclusively detected at the lower trophic levels of the ecosystems. Traces of local discharge nuclides were very seldom detected in fish, and even then only in very low quantities. As a consequence of the reduced discharges, the concentrations of local discharge nuclides in the environment have decreased noticeably in recent years at both Loviisa and Olkiluoto. Although the concentrations in environmental samples, and above all, the discharge data, are presented as seemingly large numbers, the radiation doses caused by them to the population and to the biota are very low, practically insignificant. The effects of the thermal discharges have been more significant, at least to the wildlife in the discharge areas of the cooling water, although the area of impact has been relatively small. The results show that the nutrient level and the exchange of water in the discharge area of a nuclear power plant are of crucial importance.

Päijänteen yhteenvetotutkimus II : Nykytila ja siihen johtanut kehitys ; biologiset selvitykset

English summary: Lake Päijänne research II

Iisalmen reitin ekologinen vesitutkimus

An ecological waterstudy on the Iisalmi course.

Säännöstelyjen kehittämistyön vaikutukset Oulujoen vesistössä : seurannan tulokset vuosina 1999–2009

Ympäristöviranomaiset ja Oulujoen vesistön alueella toimivat voimayhtiöt tekivät vuosina 1989–1992 monitieteisen selvityksen vesistöjen säännöstelyn kehittämiseksi. Kehittämisen tavoitteina oli ottaa virkistyskäytön tarpeet ja vesiluonnon tilaan vaikuttavat tekijät paremmin huomioon, mutta säilyttää säännöstelyn alkuperäinen tavoite, eli palvella energiantuotantoa sekä estää tulvavahinkoja ja rantavyöryjä. Selvityksen tuloksena annettiin Oulujoen vesistön säännöstelyä, siihen liittyvää ympäristönhoitoa ja tiedotusta koskevia kehittämissuosituksia. Suositusten perusteella otettiin käyttöön järvikohtaiset kesäajan vedenkorkeuksia ohjaavat tavoitetasot ja yläsuositukset. Kehittämisselvityksen tuloksena annettuja suosituksia alettiin noudattaa vuodesta 1993 lähtien. Ensimmäinen suositusten seurantaselvitys tehtiin vuonna 1998 ja tässä raportissa on esitelty vuoden 2009 seurantahankkeen tulokset. Syksyn 2009 seuranta osoittaa, että suositukset ovat toteutuneet pääasiassa hyvin. Niiden toteuttamisella on saavutettu säännöstelyn kehittämisselvityksessä asetettuja tavoitteita. Ennen kaikkea suositukset kesäajan vedenkorkeuksissa ovat toteutuneet hyvin lukuun ottamatta Kianta- ja Vuokkijärviä. Suositusten toteutumisen seurauksena vesistön virkistyskäyttömahdollisuudet ovat parantuneet. Käytössä olevat kesäajan vedenkorkeuksien tavoitetasot ja yläsuositukset ovat selvityksen perusteella tarpeelliset, ja suurin osa vesistön käyttäjistä pitääkin vedenkorkeuksia sopivana juhannuksesta elokuulle. Tarkastellun ajanjakson aikana Kianta- ja Vuokkijärvien vedenpintaa on jouduttu laskemaan voimalaitosten korjausten vuoksi; kesällä 2003 Ämmän ja Aittokosken voimalaitosten peruskorjauksen, kesällä 2005 Aittokosken voimalaitoksen turbiinin uusimisen ja kesällä 2008 Seitenoikean voimalaitoksen peruskorjauksen takia. Lisäksi erityisen matalia vedenkorkeuksia esiintyi kuivina vuosina 2003 ja 2006. Eri aikoina toteutettujen kasvillisuusseurantojen tulosten tulkintaa haittaavat voimakkaasti erot seurantamenetelmissä. Vuoden 2009 seurantatutkimuksen tulosten tulkintaa hankaloitti myös havaintovuoden 2003 poikkeuksellisen alhaiset vedenkorkeudet, jotka lisäsivät merkittävästi pienten häiriölajien lukumäärää säännösteltyjen järvien rantavyöhykkeellä. Vedenkorkeusanalyysin perusteella pitäisi tilanteen kasvillisuuden kannalta olla kuitenkin parantunut ja kasvillisuuden vyöhykkeisyyden olla paremmin kehittynyttä ja vakiintuneempaa verrattuna aiempiin tarkasteltuihin ajanjaksoihin. Kasvillisuuden strategia-analyysin perusteella voidaan todeta, että ylempi rantavyöhyke on vakiintuneempaa ja eroosion ja jään vaikutukset kasvillisuuteen ovat vähentyneet. Järvien vedenkorkeuden säännöstelyn on arvioitu vaikuttaneen negatiivisesti kalastoon pohjaeläinten muodostamien ravintovarojen vähenemisen takia. Säännösteltyjen kohdejärvien pohjaeläimistö erosi pääsääntöisesti vertailujärvien eläimistöstä, etenkin koostumuksensa perusteella. Rantavyöhykkeen eläimistö erosi vähiten lievemmin säännösteltyjen järvillä ja eniten voimakkaammin säännöstellyillä järvillä. Kuitenkin Oulujoen vesistön säännöstelyjen muutokset suosituksia edeltävän ja sen jälkeisen ajanjakson välillä ovat olleet pohjaeläimistön kannalta hyvin pieniä eikä pohjaeläinaineiston koostumuksessa tai runsaudessa ei ole havaittavissa sellaisia eroja tai yhdenmukaista kehityssuuntaa, jotka olisi yhdistettävissä säännöstelyssä toteutuneisiin muutoksiin ajanjaksojen välillä. Säännöstely vaikuttaa kalojen lisääntymiseen ja ravintovaroihin, sillä se voi heikentää pohjaeläimistön ja rantaeläinplanktonin elinolosuhteita sekä vaikeuttaa mädin säilymistä ja vähentää sopivien lisääntymisalueiden määrää. Säännöstelykäytännön muutoksen vaikutusta kalastoon on vaikea arvioida käytettävissä olevien saalis- tai yksikkösaalistietojen perusteella. Muutoksen mahdolliset vaikutukset kalakantoihin peittyvät samanaikaisesti istutuksissa tapahtuneisiin kalayhteisömuutoksiin. Kalastuksen suuntautumisen eri lajeihin aiheuttaa sen, että verkkokalastuksen yksikkösaaliit eivät enää välttämättä kerro todellisista muutoksista kalastossa. Vedenkorkeuksien vaihtelussa on Oulujärvellä kuitenkin tapahtunut kalakantojen kannalta myönteisiä muutoksia viimeisen kymmenen vuoden aikana. Tiedotuksen tarve säännöstelyn ja vedenkorkeuksien osalta nousi kyselytutkimuksessa vahvasti esiin. Vesistön käyttäjien yleiskuva säännöstelystä on huonontunut aiemmasta seurannasta vuonna 1998 lukuun ottamatta Oulujärveä, jossa yleiskuva on parantunut. Tehtyjen vesistön ja rantojen hoito- ja kunnostustöiden hyödyllisyys koetaan hyväksi, ja suurin osa vesistön käyttäjistä on sitä miltä, että alueella tulisi tehdä lisätoimenpiteitä vesistön käytön parantamiseksi.

Kyrönjoen tekoaltaiden tila syvänteiden pohjaeläimistön perusteella : Vuoden 2015 tulokset ja tilan kehitys

Kyrönjoella on vuosina 1968–2004 toteutettu laaja tulvasuojelutyö, joka perustuu vuonna 1965 valmistuneeseen vesistötaloussuunnitelmaan. Tulvasuojelutyöhön ovat kuuluneet muun muassa Liikapuron (1966–68), Pitkämön (1968–71), Kalajärven (1971–76) ja Kyrkösjärven (1977–83) tekoaltaat, sekä näihin liittyvät täyttö- ja tyhjennysuomat, säännöstelypadot ja voimayhtiöiden rakentamat voimalaitokset. Tässä raportissa arvioidaan tekoaltaiden tilaa ja kehitystä syvänteistä otettujen pohjaeläinnäytteiden perusteella. Harvasukasmadot (Oligochaeta) ja surviaissääsket (Chironomidae) olivat tekoaltaiden syvänteiden vallitsevia pohjaeläinryhmiä. Pitkämön tekoaltaan pohjaeläinyhteisö erosi selkeästi muista järvistä vähälajisuudellaan, ja altaan pohjaeläinyhteisö koostui pääosin harvasukasmadoista. Myös Kyrkösjärvessä ja Kalajärvessä harvasukasmatojen osuus oli vuosina 2009 ja 2015 suurempi kuin surviaissääskien. Liikapuron altaassa puolestaan valtaosa pohjaeläinyhteisöstä oli surviaissääskiä. Kaikki tutkitut tekoaltaat olivat vuonna 2015 reheviä ja PMA-luokan perusteella tilaltaan välttäviä tai huonoja. PICM-indeksiä voidaan käyttää luotettavasti ainoastaan tekoaltaista syvimpään eli Pitkämöön, joka luokittui indeksin perusteella tyydyttäväksi vuonna 2015. Pohjaeläinten taksonimäärässä ei ole tapahtunut Kalajärvellä selväsuuntaista muutosta 1980-luvulta lähtien, mutta Liikapuron, Kyrkösjärven ja Pitkämön tekoaltaissa taksonimäärä oli vuosina 2009 ja 2015 selvästi suurempi kuin aiemmin. Pohjaeläinten yksilötiheydet ovat olleet Pitkämöllä 2000-luvulla ja Liikapurolla vuosina 2009 ja 2015 suuremmat kuin 1980-luvulla. Kalajärvellä ja Kyrkösjärvellä yksilötiheys oli vuonna 1986 selvästi suurempi kuin 2000-luvulla. Kyrönjoen valuma-alueen tekoaltaat muistuttavat syvännepohjaeläimistöltään reheviä luonnonjärviä. Tämä ei johdu niinkään järvien vedenlaadusta, vaan pohjan ominaisuuksista, säännöstelystä ja järvien mataluudesta. On arvioitu, että pohja-aineksen hajotus ja uusien hienojakoisten pohjasedimenttien muodostuminen kestää suomalaisissa keskihumuksisissa tekoaltaissa kymmeniä, ellei satoja vuosia. Tämän tutkimuksen perusteella pohjaeläinyhteisöjen sukkessio ja kolonisaatio etenee tekoaltaissa edelleen.