Taxonomická a fyziologická diverzita sinic z vodního prostředí

MSc. Anna Pavlovna IVANOVA

Doctoral thesis

The taxonomical and physiological diversity of cyanobacteria from water environment

Abstract:

The main objective of this thesis was to contribute to better knowledge of cyanobacteria from fishponds with great significance to taxonomy and ecology and polyphasic evaluation of cyanobacteria from Alaska North Slope. The fishponds represent a highly modified environment that is different from natural lakes. Extreme nutrient load and intense predation pressure from farmed and weed fish alter the seasonal succession of plankton. Weekly feeding is provided to maximize fish production, and high fish density impairs the trophic food web by eliminating zooplankton. The results of this thesis is to describe plankton succession in fishponds and the high influence of top-down forcing. Cyanobacteria dominated the total biomass of eutrophicated and hypertrophicated ponds and mesotrophic in summer. Their specific feature, i.e. frequent formation of colonial consortia is commonly explained as a defence against grazing by zooplankton. However, it has been documented that Cladocera scramble, browse or graze cyanobacterial colonies as well as break down and digest filamentous species, effectively using them as a food source until the concentration of Chl-a reaches 100-fold that observed in our study. The zooplankton biomass was reduced by fish predation in the studied fishponds, and populations of large Cladocerans did not grow fast enough to prevent cyanobacterial blooms. Top-down control triggered by high density of planktivorous fish opened a niche for uncontrolled phytoplankton growth. The role of phosphorus in phytoplankton growth was confirmed by our data. As cyanobacteria fix inorganic carbon as well as molecular nitrogen dissolved in water, the concentration of NH4-N and NO3-N in water is not critical to their proliferation. A high P concentration thus lowers the relevance of stoichiometric C:P and N:P ratios in a hypertrophic system dominated by cyanobacteria. Data obtained through this study indicate that eutrophication of water bodies could not be controlled by reducing nitrogen input. Soluble nitrogen was almost absent in studied fishponds. The parameters controlling seasonal plankton dynamics in hypertrophic fishponds might be constrained by the concentration of phosporus and fish stock density. Maximization of fish production effectivity and phosphorus transfer captured by phytoplankton via zooplankton at fish densities below 300 kg ha-1 would be a simple measure to lower the amount of cyanobacteria and consequently improve water quality. Control of fish density can enhance the quality of fishponds and moderate cyanobacterial blooms without a hardly achievable decrease in phosphorus input. We also investigated the cyanobacterial diversity of a previously unexplored region of the Alaskan North Slope. We described two new genera and six new species of cyanobacteria, suggesting the existence of high biodiversity in extreme polar environments. This research provides a foundation for further detailed ecological, biogeographical and genomic studies.

Abstract:

Hlavním cílem této práce bylo přispět k lepšímu poznání sinic z rybníků s velkým významem pro taxonomii a ekologii a polyfázové hodnocení sinic z North Slope. Rybníky představují značně upravené prostředí, které se liší od přírodních jezer. Extrémní zatížení živinami a intenzivní predační tlak ze strany chovaných a plevelných ryb mění sezónní posloupnost planktonu. Týdenní krmení se zajišťuje pro maximalizaci produkce ryb a vysoká hustota ryb narušuje trofickou potravní síť tím, že eliminuje zooplankton. Výsledky této dizertace popisují změny planktonu v rybnících a vysoký vliv vnucování shora dolů. Sinice dominovaly v celkové biomase eutrofizovaných a hypertrofovaných rybníků a mezotrofních v létě. Jejich specifický rys, tedy častá tvorba koloniálních konsorcií, se běžně vysvětluje jako obrana proti pastvě zooplanktonem. Bylo však zdokumentováno, že perloočky škrábou, prohlížejí nebo spásají kolonie sinic a také rozkládají a tráví vláknité druhy a efektivně je využívají jako zdroj potravy, dokud koncentrace Chl-a nedosáhne 100násobku toho, co bylo pozorováno v naší studii. Biomasa zooplanktonu byla redukována predací ryb ve studovaných rybnících a populace velkých perlooček nerostly dostatečně rychle, aby zabránily rozkvětu sinic. Kontrola shora dolů vyvolaná vysokou hustotou planktožravých ryb otevřela prostor pro nekontrolovaný růst fytoplanktonu. Role fosforu v růstu fytoplanktonu byla potvrzena našimi daty. Jelikož sinice fixují anorganický uhlík i molekulární dusík rozpuštěný ve vodě, není koncentrace NH4-N a NO3-N ve vodě kritická pro jejich množení. Vysoká koncentrace P tak snižuje relevanci stechiometrických poměrů C:P a N:P v hypertrofickém systému, kterému dominují sinice. Údaje získané prostřednictvím této studie naznačují, že eutrofizaci vodních útvarů nelze kontrolovat snížením přívodu dusíku. Rozpustný dusík ve studovaných rybnících téměř chyběl. Parametry řídící sezónní dynamiku planktonu v hypertrofických rybnících mohou být omezeny koncentrací fosforu a hustotou rybí obsádky. Maximalizace efektivity produkce ryb a přenosu fosforu zachyceného fytoplanktonem přes zooplankton při hustotě ryb pod 300 kg ha-1 by bylo jednoduchým opatřením ke snížení množství sinic a následně ke zlepšení kvality vody. Řízení hustoty ryb může zlepšit kvalitu rybníků a zmírnit květy sinic bez těžko dosažitelného snížení přísunu fosforu. Zkoumali jsme také diverzitu sinic v dosud neprozkoumané oblasti aljašského severního svahu. Objevili jsme dva nové rody a šest nových druhů sinic, což naznačuje existenci vysoké biodiverzity v extrémních polárních prostředích. Tento výzkum poskytuje základ pro další podrobné ekologické, biogeografické a genomické studie.

Keywords

Sinice, Dynamika plankton, Rybníky, Extrémní stanoviště, Živiny

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 17. 3. 2023

Obhajoba závěrečné práce

• Vedúci: Mgr. Otakar Strunecký, Ph.D.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / odbor:
Zootechnics / Fishery