Bacterial community structure and petroleum hydrocarbon degradation in the Baltic Sea

Abstract

The Baltic Sea is unique by its biological, geochemical and physical features. The number of species of larger organisms is small and the species composition is distinctive. On the contrary microbial communities are diverse. Because of the low salinity levels, bacterial communities differ from the ones in the oceans. Knowing the structure of these communities better and how they response to different environmental conditions helps us to estimate how different factors affect the balance and function of the Baltic Sea ecosystem. Bacteria are the key players when it comes to natural biogeochemical processes and human-induced phenomena like eutrophication, oil spills or disposal of other harmful substances to the sea ecosystem.

In this thesis, bacterial community structure in the sea surface microlayer and subsurface water of the Archipelago Sea were compared. In addition, the effect of diatom derived polyunsaturated aldehydes on bacterial community structure was studied by a mesocosm experiment. Diesel, crude oil and polycyclic aromatic hydrocarbon degradation capacity of the Baltic Sea bacteria was studied in smaller scale microcosm experiments. In diesel oil experiments bacteria from water phase of the Archipelago Sea was studied. Sediment and iron manganese concretions collected from the Gulf of Finland were used in the crude oil and polycyclic aromatic hydrocarbon experiments. The amount of polycyclic aromatic hydrocarbon degradation genes was measured in all of the oil degradation experiments.

The results show how differences in bacterial community structure can be seen in the sea surface when compared to the subsurface waters. The mesocosm experiment demonstrated how diatom-bacteria interactions depend on other factors than diatom derived polyunsaturated aldehydes, which do not seem to have an effect on the bacterial community structure as has been suggested in earlier studies. The dominant bacterial groups in the diesel microcosms differed in samples taken from a pristine site when compared to a site with previous oil exposure in the Archipelago Sea area. Results of the study with sediment and iron-manganese concretions indicate that there are diverse bacterial communities, typical to each bottom type, inhabiting the bottoms of the Gulf of Finland capable to degrade oil and polycyclic aromatic hydrocarbon compounds.

Itämeri on ainutlaatuinen biologisilta, geokemiallisilta ja fysikaalisilta ominaisuuksiltaan. Suurempien eliöiden suhteen lajisto on Itämerelle tunnusomainen ja harvalukuinen, mutta mikrobilajisto on monimuotoinen. Alhaisemman suolapitoisuuden vuoksi bakteeriyhteisöt poikkeavat valtamerten yhteisöistä. Tutkimustieto Itämeren bakteeriyhteisöistä ja niiden vasteista erilaisille ympäristötekijöille auttaa arvioimaan myös laajemmin erilaisten tekijöiden vaikutusta Itämeren ekosysteemin tasapainoon ja toimintaan. Bakteerit ovat keskeisessä roolissa luonnon biogeokemiallisissa prosesseissa ja ihmisen aiheuttamissa ilmiöissä kuten rehevöityminen, öljyonnettomuudet tai haitallisten aineiden päätyminen mereen.

Tässä väitöskirjatyössä verrattiin Saaristomeren pinnan mikrokerroksen bakteeriyhteisöjä niiden alapuolisen veden bakteeriyhteisöihin. Lisäksi tutkittiin piilevien tuottamien monityydyttymättömien aldehydiyhdisteiden vaikutusta Itämeren veden bakteeriyhteisöihin mesokosmoskokeen avulla. Diesel- ja raakaöljyn sekä polysyklisten aromaattisten hiilivetyjen hajottamispotentiaalia seurattiin pienempien mikrokosmoskokeiden avulla. Dieselöljykokeissa tutkittiin Saaristomeren vesifaasin bakteerien kykyä hajottaa dieselöljyä. Suomenlahden sedimentin ja rautamangaanisaostumien bakteerien kykyä hajottaa raakaöljyä ja polysyklisiä aromaattisia hiilivetyjä tutkittiin niitä sisältävissä kokeissa. Polysyklisten aromaattisten hiilivetyjen hajoamisprosessiin liittyvien geenien määrää mitattiin kaikissa öljykokeissa.

Tulokset osoittavat kuinka Saaristomeren pinnan mikrokerroksen bakteeriyhteisöt poikkeavat alusveden bakteeriyhteisöistä. Mesokosmoskokeiden perusteella selvisi, että piilevien tuottamat monityydyttymättömät aldehydiyhdisteet eivät ole piileväbakteeri- vuorovaikutukseen vaikuttava tekijä, toisin kuin aiemmissa laboratoriotutkimuksissa on esitetty. Dieselöljykokeissa hallitsevat bakteeriryhmät riippuivat aiemmasta öljyaltistuksesta; bakteeriryhmät poikkesivat aiemmin öljylle altistuneessa vesinäytteessä puhtaan alueen näytteen yhteisöistä. Raakaöljyn- ja polysyklisten aromaattisten hiilivetyjen hajotusta tutkittaessa kokeiden tulokset osoittivat, että Suomenlahden sedimentissä ja rauta-mangaanisaostumissa on niille tyypilliset monimuotoiset bakteeriyhteisöt, joilla on kyky hajottaa näitä yhdisteitä.