Effects of toxin-producing phytoplankton on copepods: feeding, reproduction and implications to the fate of toxins

Abstract

Phytoplankton growth and loss rates are governed by several factors and in many cases, when growth control fails, algal blooms are established. Such blooms can be formed by different phytoplankton species and some of them have harmful impacts on marine ecosystems. One of these negative impacts by some bloom-forming phytoplankton is the ability to produce toxic or inhibitory compounds with broad effects on aquatic organisms. Harmful effects can also reach humans if food or water contaminated with toxins is consumed. Copepods are one of the most numerous consumers of phytoplankton in marine environments. These invertebrates can also obtain their nutrition from other food resources such as single cell animals (e.g. ciliates), which could be an important alternative under bloom conditions.



The aims of this thesis were to assess 1) to which extent toxic or inhibitory phytoplankton is consumed (or avoided) by copepods; 2) whether ciliates and other food types could contribute to the diets of copepods when toxic food is present; 3) if copepods accumulate toxins and excrete them with faecal pellets when toxic phytoplankton is ingested; and 4) the effect of toxic diets on the reproductive success of copepods. Based on some of the results obtained, the role of cellular mechanisms in the detoxification of toxins from the ingested toxic diets was investigated. In addition, the importance of the transport of toxins via copepods to higher consumers such as fish was evaluated.



In some cases, toxic phytoplankton was not consumed by copepods. In other cases, copepods fed actively upon toxic phytoplankton. Reproduction was not sustained if toxic phytoplankton was the only food available, or when compared to an adequate diet. This was related to a decrease in the numbers of oocytes produced or in the degree of maturation of these cells. Toxins were detected in copepods and in their faecal pellets after ingestion of the toxic cyanobacterium Nodularia spumigena. However, the amount of toxins found in the copepods was far lower than the amount of ingested toxins, which could indicate that copepods might have metabolic mechanisms to get rid of these compounds. High metabolic activity (GSH transferase activity) was, however, detected in well-fed copepods and not related with the ingestion of toxic food. More sensitive studies (e.g. at the molecular level) are needed. Calculations indicated that part of the phytoplankton toxins detected in the copepods could be transferred to fish populations in the Baltic Sea. In some cases, this toxin transfer could be low, but in others it could considerable and threaten both fish and humans. Therefore, frequent monitoring of phytoplankton toxins in fish stocks is needed to assure safe consumption of fish by us.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Effekter av giftiga växtplankton på copepoder



Vad är växtplankton och copepoder?



Växtplankton eller mikroalger som de också kalla's är de dominerande växterna i havet. Det finn's många olika typer av växtplankton och de är alla mycket små (dera's storlek är mellan ett par till några hundra tusendelar av en millimeter). Växtplanktonen använder ljusenergin från solen och näringsämnen som är lösta i havsvatten för att växa och de utgör den huvudsakliga födan för mikroskopiska djur, till exempel copepoder. Copepoderna är små kräftdjur och dera's storlek är mellan ungefär en millimeter till några centimeter. Copepoderna tillhör de djurplankton som det finn's mest av i havet och de utgör en av de dominerande födokällorna för de planktonätande fiskar som vi människor sen konsumerar.



Vad är en blomning av giftiga växtplankton?



Om förhållandena i havet är gynnsamma, dv's det finn's en god tillgång på lösta näringsämnen, en hög vattentemperatur och liten omrörning i vattnet av vinden, kan växtplanktonen växa mycket snabbt, särskilt om det inte finn's så många djurplankton närvarande som äter upp dem. I så fall kan det bilda's stora ansamlingar av växtplankton som kan färga vattnet brunt eller rött, vilket gör att dessa blomningar ibland kalla's ”red tide's”. Flera olika arter av växtplankton producerar också olika typer av gifter, dv's kemiska föreningar som kan ha negativa effekter på andra vattenlevande organismer, men också på människor. Till exempel kan vissa gifter orsaka leverskador och magsjukdomar ho's människor om vi får i os's kontaminerat vatten eller äter skaldjur som innehåller växtplanktongifterna.



Vilka var de huvudsakliga frågorna som denna avhandling skulle besvara?



Äter copepoder giftiga växtplankton? Blir copepoderna giftiga om de äter giftiga växtplankton? Har copepoderna avgiftningsmekanismer för att bryta ner gifterna efter det att de har ätit giftiga växtplankton? Vilka effekter har giftiga växtplankton på copepoderna's fortplantning?



För att svara på dessa frågor utförde's en mängd laboratorieexperiment. I standardutförandet fick olika copepoder vista's med olika giftiga växtplankton under flera timmar. Som kontroller använde's ogiftiga växtplankton, samt behandlingar utan copepoder närvarande. Genom att ta reda på antalet växtplankton i början och i slutet av experimenten, var det möjligt att räkna ut hur mycket giftiga växtplankton som copepoderna åt upp. Genom att använda samma experimentuppställning bestämde's också hur många ägg varje copepodhona producerade vid olika mängder av giftproducerande växtplankton närvarande. Vid avslutandet av dessa experiment insamlade's också copepoderna för analy's av mängden gifter som de hade tagit upp samt metaboliska tester för att se om copepoderna visade tecken på att ha avgiftningsmekanismer.



Vilka effekter hade giftiga växtplankton på copepoder?



I vissa fall undvek copepoderna de giftiga växtplanktonen, medan de i andra fall konsumerade dem. När giftiga växtplankton var den enda tillgängliga födan så producerade honorna färre ägg. Efter att ha ätit vissa giftiga växtplankton producerade även honorna färre äggceller (de celler som senare skall bli ägg) än när de åt ogiftiga växtplankton. När copepoderna ätit giftpoducerande växtplankton innehöll copepoderna i vissa fall alggifter, men endast en liten del av vad de beräknade's ha ätit. Detta skulle kunna betyda att de har effektiva mekanismer som bryter ner alggifterna. Emellertid kunde inte några sådana mekanismer påvisa's, utan det behöv's ytterligare undersökningar inom detta område.



Beräkningar där mängden gifter som påvisade's i copepoderna använde's (i kombination med antagandet att dessa copepoder skulle bli uppätna av planktonätande fiskar) visar i vissa fall på en låg överföring av gifter högre upp i näringskedjan, medan det i andra fall beräknade's bli såpas's höga gifthalter i de planktonätande fiskarna att det skulle kunna vara farligt för både fiskarna själva och människor som äter denna fisk. Av denna anledning är det viktigt att undersöka halterna av växtplanktongifter i de fiskarter som använd's till konsumtion av os's människor.

• author: Kozlowsky-Suzuki, Betina
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Reinikainen, Marko, Dept. of Ecology and Environmental Science, Umeå University
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology
• keywords: Ecology, Ekologi, GSH transferase, oocyte development, fate of toxins, toxin accumulation, toxic phytoplankton, copepods
• pages: 118 pages
• defense location: Campus Helsingborg, Universitetsplatsen 2
• defense date: 2004-06-07 10:15:00
• ISBN: 91-7105-209-7
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Kozlowsky-Suzuki B, Karjalainen M, Koski M, Carlsson P, Stolte W, Balode M, Granéli E Disruption of the microbial food web and inhibition of metazooplankton development in the presence of iron and DOM-stimulated Baltic Sea cyanobacteria. Submitted Article: II. Kozlowsky-Suzuki B, Karjalainen M, Lehtiniemi M, Engström-Öst J, Koski M, Carlsson P (2003) Feeding, reproduction and toxin accumulation by the copepods Acartia bifilosa and Eurytemora affinis in the presence of the toxic cyanobacterium Nodularia spumigena. Marine Ecology Progress Series 249: 237-249 Article: III. Lehtiniemi M, Engström-Öst J, Karjalainen M, Kozlowsky-Suzuki B, Viitasalo M (2002) Fate of cyanobacterial toxins in the pelagic food web: transfer to copepods or to faecal pellets? Marine Ecology Progress Series 241: 13-21 Article: IV. Kozlowsky-Suzuki B, Carlsson P, Rühl A, Granéli E Food selectivity and grazing impact on toxic Dinophysis spp. by copepods feeding on natural plankton assemblages. Submitted Article: V. Kozlowsky-Suzuki B, Koski M, Hallberg E, Wallén R, Carlsson P Glutathione transferase activity and oocyte development in copepods exposed to toxic phytoplankton. Manuscript
• id: dd759d53-a607-46a3-978c-d4112d41b78c (old id 467087)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:34:11
• date last changed: 2018-11-21 20:59:31