Pollution and ecosystem adaptation to changes in the environment.

Vil eksponering for diffus kjemisk forurensning svekke et økosystems evne til å reagere på svingninger i miljøparametre. I innsjøer understøtter mikroskopiske alger den trofiske kjeden gjennom å sørge for energi til høyerestående organismer. Klimaendringene forventes å øke intensiteten og frekvensen av svingninger i miljøforholdene. For eksempel er stabiliteten av vannsøylens struktur i innsjøene viktig for utviklingen av mikroalger. Ekstremt vær fører til blanding i vannsøylen og forhindrer den ellers naturlige utviklingen i samfunnet. Alger har naturlig utviklet seg for å reagere raskt på slike miljøvariasjonene. Den diffuse belastningen av vannkjemiske miljøgifter kan imidlertid favorisere algearter som er mer tolerante for kjemisk forurensning på bekostning av mer tilpasningsdyktige arter. Det er lite sannsynlig at forurensningstolerante arter også er de som mest effektivt responderer på miljøendringer. Vi har utført eksperimenter i innsjøer med ulike nivåer av næringsstoffer og oppløst organisk materiale (fra lav produksjon av alger (oligotrofisk) til mellom- (mesotrofisk) og høy produktivitet (eutrofisk)). Vi dyrket naturlige mikroalgesamfunn i permeable mikrokosmos nedsenket i innsjøene de kommer fra og simulerte blanding i kolonnen. Vi behandlet algene med kjemiske miljøgifter og observerte responsen. I innsjøer med lav konsentrasjon av oppløst organisk materiale og lav surhet virket kjemiske miljøgifter hemmende på biomasseproduksjon og fotosyntese-effektiviteten mens de minste cellene ble favorisert. Disse effektene vedvarte lenge etter at behandlingen opphørte. Vi undersøkte de grunnleggende mekanismene som driver disse responsene og fant ut at en nyere økologisk teori kunne forutsi observasjonene. Vi utviklet en matematisk modell for å beskrive mikroalgesamfunnet basert på denne teorien og brukte den til å utlede forventninger til samfunnets respons på stress. Dette er første gang denne teorien er bekreftet. I motsetning til i de mesotrofiske og eutrofiske innsjøene, påvirket ikke forurensning i den oligotrofe innsjøen mikroalgene. Vi antok at dette skyldtes den særegne vannkjemien i denne innsjøen, og spesielt typen oppløst organisk materiale som stammer fra jordsmonnet i de omkringliggende skogene i kombinasjon med en høyere vannsurhet. Gjennom laboratorietester fikk vi bekreftet denne hypotesen. Disse vannforholdene forhindret også at alger utviklet resistens mot den kjemiske belastningen fordi det ikke understøttet en sterk seleksjonsprosess. Resultatene våre representerer et eksempel på hvordan samspillet mellom organismer, forurensninger og miljøforhold bestemmer responser og utvikling av økosystemer. I det videre arbeidet undersøkte vi hvorvidt de observerte samfunnsresponsene i de mesotrofiske og eutrofiske innsjøene hadde potensialet til å påvirke motstandsdyktigheten i ferskvannsøkosystemer. Dette kan forstås som et økosystems evne til å vende tilbake til sin typiske tilstand (f.eks. ved biomasseproduksjon og biologisk mangfold) etter å ha blitt presset over i en annen tilstand av ytre påvirkning. Vi vurderte motstandsdyktigheten ved å se på endringer i den relative mengden av organismer av forskjellig størrelse. Størrelse er en grunnleggende parameter som karakteriserer organismers evne til å utnytte ressurser i miljøet. Vi fant ut at til tross for at biomasseproduksjon og fotosyntetisk aktivitet ble hindret så var det usannsynlig at forurensninger ville påvirke mikroalgenes motstandsdyktighet ved de konsentrasjonene som er typiske i europeiske innsjøer. Til slutt søkte vi å vurdere om historisk eksponering for kjemisk forurensning resulterer i tilpasninger av mikroalgers evne til å formere seg i forurenset vann. Vi fokuserte på en innsjø i et sterkt påvirket nedbørsfelt i Sverige, som historisk har vært sterkt preget av landbruk i form av ugressmidler. Vi samlet sedimenter fra denne innsjøen og et antall kontrollsjøer i den samme regionen som aldri hadde vært utsatt for ugressmidler. Vi spirte mikroalgesporer fra sedimentene og dyrket samfunn i laboratoriet som reflekterte det biologiske mangfoldet representativt for det opprinnelige miljøet. Vi utsatte dem så for det samme ugressmiddelet. Vår observasjon var at dagens respons på gift faktisk ble påvirket av tidligere eksponeringshistorie for innsjøene. Samfunnet fra den historisk forurensede innsjøen klarte seg like bra som samfunnet fra uberørte områder når de ikke ble påført stress. Når samfunnet utsettes for kjemiske stress, kan imidlertid samfunn fra historisk forurensede innsjøer inkludere tolerante organismer. Vi koblet dette resultatet til ideen om økologisk minne og hevder at historisk kjemisk forurensning allerede har påvirket mikroalgenes evolusjon og utviklingen av vannøkosystemer.

We showed that pollutants at realistic concentrations can affect the ability of phytoplankton to recover from climate disturbance. Ecosystems historically impacted by chemical pollutants express microalgae that are more tolerant to these stressors, indicating their evolution has been historically influenced by contaminants. We invented new approaches to conduct studies on natural microalgae community directly in their environment. We developed a new model assimilating a novel ecological theory. This can be used to mechanistically predict ecosystem responses to pollution. Despite affecting microalgae productivity and community structure, pollution did not impact their resilience. This will help to better position exposure safety thresholds in environmental management. We found that dissolved organic matter from forest soils can prevent toxic effect in microalgae and development of tolerance. These results and outcomes reduce the gap between ecology and environmental toxicology.

Does exposure to diffuse chemical pollution impair the ability of an ecosystem to recover structures and functions following a disturbance event? The proposed research explores trade-offs between adaptation of phytoplankton communities to pollution and their adaptive capacity to recover after abrupt changes in environmental conditions. We define here adaptive capacity of a community its ability to restructure by ecological processes as a consequence of changing environment in order to maintain efficient use of resources, production and diversity. Through more frequent occurrence of extreme weather, climate change will result in increased disturbance on lake water column stability, affecting processes at the base of freshwater ecosystem functions and services, such as phytoplankton metacommunity structuring. We will conduct experiments in lakes using natural phytoplankton communities incubated in situ in innovative enclosures and simulate disturbance by mixing metacommunities from different depths of structured water columns. We will concomitantly treat the enclosures with realistic levels of contaminants and track the recovery process during post-disturbance by analyzing a complex set of eco/physiological traits over time. The rate of trait change, a proxy of adaptive capacity, will be compared between treatments and controls to assess the hypothesis that pollution hinders the capacity of the community to re-structure. We will investigate if such a response depends on lake contamination history by repeating the experiment in several lakes along a gradient of contamination. The occurrence of a negative relationship can suggest that communities from historically impacted lakes are better suited to cope with combined pollution and generic environmental stress as a result of ecological adaptation or evolution. Such a result can represent a direct evidence of the ongoing subtle impacts of diffuse sub-lethal pollution on freshwater ecosystem functioning.