Happiolojen vaikutus Enonselän järvisedimentin mikrobiomiin ja biohajotukseen – havaintoja kokeellisen tutkimuksen kautta

Järvikunnostuksen vaikutusten tarkastelu simuloiduissa laboratorio-olosuhteissa antaa mahdollisuuden keskittyä rajattuun tutkimuskysymykseen ilman luonnon järjestämiä yllätyksiä. Talven 2016-2017 aikana olemme tutkineet Vesijärven sedimenttimikrobien vastetta erilaisiin happioloihin.

Altistimme Vesijärven Enonselän kolmesta eri syvänteestä noudettua mineraalirikasta sedimenttiä kolmenlaisiin käsittelyihin: hapellisiin, vaihteleviin ja hapettomiin olosuhteisiin. Hypoteesinamme oli, että käsittelyt aiheuttavat huomattavia muutoksia mikrobiyhteisöiden koostumuksessa ja aktiivisuudessa. Oletimme myös biohajotuksen olevan tehokkainta vaihtelevissa happioloissa. Tämä hypoteesi perustui teoriaan alustusvaikutuksesta (priming), jonka saa aikaan happiolojen vaihtumisen tähden kuoleva, hajotustoiminnalle energianlähteenä toimiva mikrobiyhteisö.

Kokeemme kestivät yhdestä kahteen kuukautta, vaihtelevien happikäsittelyiden kaasujenvaihtovälin ollessa 3-7 päivää. Mikrobiyhteisön syväsekvensointi paljasti yhteisökoostumuksen eroavaisuudet eri näytteenottopaikoilla ja kokeen edetessä. Hapen lisäämisen vaikutus oli kuitenkin hyvin samankaltainen joka syvänteellä; bakteereiden biomassa ja aktiivisuus kasvoivat, mutta monimuotoisuus väheni. Mikrobit olivat aktiivisempia tasaisesti hapellisissa kuin suhteellisen nopeasti vaihtelevissa happioloissa. Kaikkein vähiten aktiivisuutta esiintyi hapettomissa oloissa.

Tuloksemme havainnollistivat, kuinka näennäisesti hiljaiseloa viettävä sedimentin mikrobiyhteisö vastaa muuttuviin happioloihin nopeasti, ja kuinka sedimentinorgaanisen aineksen hajotus tehostuu hapen läsnä ollessa. Tehokas hajotus edesauttaa ravinteiden ja energian vapautumista ja kiertoa järvessä. Kuvassa hapellisissa käsittelyissä näkyy hapen aikaansaama sedimentin värin muutos ruosteen sävyiseksi. Tässä kokeessa emme havainneet alustusvaikutusta sedimenttiin jääneen hiilen määrän perusteella, mutta biohajotuksen lopputuotteiden (hiilidioksidi ja metaani) mittaaminen on vielä kesken.

Pauliina Salmi, Sanni Aalto, Anu Mikkonen, Veli-Mikko Puupponen & Marja Tiirola

prof. Tiirolan tutkimusryhmä, Bio- ja ympäristötieteiden laitos, Jyväskylän yliopisto

Lisätietoja: pauliina.u.m.salmi@jyu.fi

Enonselkä pysynyt kuorevaltaisena

Enonselän koetroolauksen saalista 29. kesäkuuta 2016. Kuva: Mika Vinni.

Välillä jo lähes kadoksissa ollut Enonselän kuorekanta kasvoi poikkeuksellisen suureksi kesällä 2015 ja vuosi sitten ihmettelin tilannetta kirjoituksessani. Kuoreella on suuri merkitys Enonselän ulapan ravintoverkossa. Ylitiheä kanta voi syödä eläinplanktonin niin vähiin, että sinilevät pääsevät runsastumaan. Toisaalta kuore on tärkeä ravintokala petokaloille, etenkin kuhalle ja ahvenelle. Vuosi sitten oli vaikea ennustaa, miten kuorekannan kehitys jatkuu ja minkälaisia vaikutuksia ylitiheä kanta mahdollisesti aiheuttaa.

Enonselän kalastoseurantaa päästiin jatkamaan kesällä 2016. Kaikuluotaukset ja koetroolaukset tehtiin tuttuun tapaan kesä-heinäkuun vaihteessa ja elokuun lopulla. Aineistosta laskettiin ulapan kalamäärä ja lajijakauma. Harvoin ensimmäisten tulosten näkeminen on ollut niin jännittävää kuin viime kesänä. Mitä sitten saatiin selville?

Kuorebiomassa oli laskenut kesän 2015 huippuarvosta, mutta oli edelleen yli kaksinkertainen keskimääräiseen verrattuna, n. 90 kg hehtaarilla (kuva). Keskikesällä kuoreet olivat selvästi normaalia laihempia, mikä viittasi liian tiheään kantaan ravintoresursseihin nähden. Ylitiheä kuorekanta aiheutti sekä positiivisia että negatiivisia vaikutuksia Enonselän ravintoverkossa. Yksi selvimmistä positiivista vaikutuksista oli se, että kuoreilla herkutelleet ulapan ahvenet olivat selvästi lihavampia kuin aikaisemmin. Negatiivisista vaikutuksista merkittävin oli se, että ylitiheä kuorekanta oli todennäköisesti osasyyllinen viime kesän sinileväkukintoihin. 

Enonselän ulappa-alueen kuorebiomassan kehitys vuosina 2009-2016 elokuun loppupuolella tehtyjen kaikuluotausten ja koetroolausten perusteella. Vuonna 2010 ei tehty seurantaa.

Näyttää ilmeiseltä, että Enonselän tilan ja petokalakantojen tulevaisuus riippuu pitkälti kuorekannan kehityksestä. Kuorekanta taantuu lämpiminä ja voimistuu viileinä kesinä. Toisaalta viime kesän poikkeuksellisen laihat kuoreet viittaavat ympäristön kantokyvyn ylittymiseen. Ehkäpä viime kesinä havaittu n. 100 kg hehtaarilla on jo kuoreen maksimimäärä Enonselällä, eikä kanta voi enää runsastua. Toisaalta jo nykyinen kuorekantakin näyttää pahentavan sinileväongelmaa. Toiseen suuntaan, alaspäin, voi tapahtua suurikin muutos ja vieläpä todella nopeasti.

Hellekesä voi romahduttaa kuorekannan kuukaudessa. Tämäkään ei kuitenkaan olisi kovin hyvä vaihtoehto, koska tällöin ulapan petokalojen ravintotilanne heikkenisi ratkaisevasti. Lisäksi pidempään jatkuva, muutaman peräkkäisen hellekesän aiheuttama kuorekato saattaisi johtaa särkikalojen runsastumiseen ulapalla. Särkikalojen kansoittama ulappa olisi Enonselän tilan kannalta vielä huonompi vaihtoehto kuin tiheä kuorekanta, kuten 1980-luvulla nähtiin. Esimerkiksi särki syö ulapalla ollessaan miltei yksinomaan levää syöviä vesikirppuja, kun kuore käyttää ulapan ravintovaroja huomattavasti monipuolisemmin. Särkikalat eivät myöskään ole petokaloille niin hyvää ravintoa kuin kuore. 

Järven tilan kannalta paras vaihtoehto olisi se, että ulappa pysyisi kuorevaltaisena mutta petokalakannat olisivat niin vahvat, että poikkeuksellisen runsaat kuorevuosiluokat katoaisivat nopeasti petokalojen suihin. Vahvat ja myös suurikokoisia yksilöitä sisältävät petokalakannat pienentäisivät lisäksi särkikalojen runsastumisen riskiä mahdollisen kuorekadon aikaan. Koska tärkein petokalakantoja säätelevä tekijä on kalastus, kaikki Enonselällä kalastavat voivat omalla panoksellaan vaikuttaa järven tilan kehitykseen. Enonselälle asetettujen kalastusrajoitusten ja suositusten noudattaminen onkin erinomaista järven hoitotyötä!

Tutustuthan myös raporttiin Vesijärven Enonselän ulapan kalayhteisö kesällä 2016.

kirjoittaja:

Tommi Malinen, tutkija, Helsingin yliopisto, ympäristötieteiden laitos/akvaattiset tieteet

Sedimentaatiomittausta Enonselällä

Vuoden 2016 sedimentaatiomittaukset Enonselällä aloitettiin 10. toukokuuta. Sedimentaatio- ja pintasedimenttinäytteitä kerätään noin kahden viikon välein sekä syvänteillä että matalilla alueilla avovesikauden ajan (kuva 1). Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää sedimentoituvan aineksen määrän ja laadun vaihtelua kasvukauden aikana.

Yksi tärkeä tavoite on myös tutkia käynnissä olevan ilmastuskunnostuksen mahdollisia vaikutuksia laskeutuvan materiaalin määrään ja laatuun. Laskeutuvasta aineksesta tullaan määrittämään hiili-, typpi- ja fosforipitoisuudet ja näitä tuloksia tullaan vertaamaan vuosien 2009 (ei ilmastusta), 2010 ja 2011 (ilmastuksen kaksi ensimmäistä vuotta) tuloksiin.

Projektin johtajana toimii professori Jukka Horppila ja toteuttajina Juha Niemistö (yliopistotutkija) sekä Soila Silvonen (maisteriopiskelija, akvaattiset tieteet) Helsingin yliopiston Ympäristötieteen laitokselta. Soila tekee kerätystä aineistosta pro gradu -tutkielmansa.

Kuva 1. Sedimentaatio- ja pintasedimenttinäytteenoton pisteet 1-4 Enonselällä. 

Pintasedimentin näytteenottoa.

Enonselällä poikkeuksellisen paljon kuoretta

Enonselän ulappa-alueen kalat saatiin lopultakin laskettua. Vaikka kaikuluotausaineiston kerääminen on nopeata ja onnistuu parhaimmillaan yhdessä päivässä, on aineiston käsittely usein työlästä. Kaikuluotaustiedostot pitää käydä tarkasti läpi ja tarvittaessa korjata kaikuluotaimen tulkintaa järven pohjan sijainnista sekä poistaa monet muut virhelähteet. Lisäksi pitää määrittää kaikkien vesikerrosten kalalajijakauma ja kalojen kokojakauma koekalastuksen perusteella. Saalisnäytteiden käsittelykin ottaa aikansa. Koetroolauksen perusteella Enonselän ulapan kalasto oli todella voimakkaasti kuorevaltainen: elokuussa 2015 niiden osuus oli peräti yli 99 % kaikista kaloista.

Kaikuluotausten perusteella Enonselän ulapalla oli viime elokuun 21. päivänä noin 167 miljoonaa kuoretta. Tässä tarkastelussa ulappa oli määritelty alueeksi, jolla veden syvyys oli yli 6 metriä ja oletettu, ettei tätä matalammilla alueilla ollut tutkimuspäivänä lainkaan kuoreita. Koska myöskään pohjan lähellä olleet kuoreet eivät tulleet mukaan kaikuluotauslaskentaan, todellisuudessa kuoreita oli vieläkin enemmän.

Elokuun 2015 kuoremäärä oli selvästi suurin, mitä 1990-luvulla alkaneen seurannan aikana on havaittu ja noin viisinkertainen keskimääräiseen verrattuna. Kuoreen runsauden lisäksi kannan ikäjakauma herätti ihmetystä: 98 % kannasta oli samana vuonna syntyneitä poikasia. Nämä niin kutsutut yksikesäiset kuoreet olivat elokuun lopussa 4-7 cm pituisia ja painoivat keskimäärin 0,7 grammaa.

Kuorekantaa seurataan, koska se on tärkeä tekijä Enonselän ravintoketjussa. Se on tärkeä petokalojen, etenkin kuhan ja ahvenen saaliskala. Eläinplanktonin syöjänä se voi myös vaikuttaa ravintoketjussa alaspäin aina kasviplanktoniin asti. Kuore on viileän veden laji ja sen kanta yleensä taantuu lämpiminä kesinä tai jos esimerkiksi kesäaikainen viileä alusvesi katoaa sekoitushapetuksen seurauksena. Sekoitushapetusta aloitettaessa vuonna 2010 ajateltiin, että kuorekanta tulee taantumaan. Vaikka näin kävikin lämpimän kesän 2010 seurauksena, on sen jälkeinen kehitys ollut yllättävää. Kuorekanta on toipunut ja jopa moninkertaistunut. Kannan vinoutunut ikärakenne ja suuret runsaudenvaihtelut viittaavat kuitenkin siihen, että kanta ei ole tasapainossa. Hyvin suuretkin muutokset ovat lähivuosina mahdollisia. Vielä onkin aivan liian aikaista sanoa, minkälaiseksi Enonselän kuorekanta kehittyy pitkällä aikavälillä.

Varmaa kuitenkin on, että loppukesällä 2015 ulapan petokalojen, kuhan ja ahvenen ravintotilanne oli poikkeuksellisen hyvä. Etenkin pienillä kuoreilla herkutelleet keskikokoiset ahvenet kasvoivat varmasti paljon keskimääräistä paremmin. Tämä saattaa näkyä vapaa-ajankalastajien saalisahventen koon kasvuna ja myös ahventen runsastumisena ulapalla tulevana kesänä. Vai pääsivätkö Enonselän pilkkikalastajat jo nauttimaan hyvistä ahvensaaliista menneenä talvena?

Tommi Malinen, tutkija, Helsingin yliopisto, ympäristötieteiden laitos/akvaattiset tieteet

kuva: Mika Vinni

Enonselkä kuntoon lämmönsäätelyllä?

Enonselän tilaa on pyritty parantamaan rajoittamalla syvänteiden hapen kulumista. Hapellista vettä on pumpattu järven pintakerroksista korvaamaan syvältä kulunut happi. Tarvittava sähkö tulee kuitenkin kalliiksi ja kesällä syvien vesikerrosten lämmetessä hapetuksen teho laskee.

Mahdollisista korvaavista sekoitusmenetelmistä lupaavin on lämmön keruu syvänteistä lämpöpumpuilla. Siinä nykyinen mekaaninen pumppaus korvattaisiin veden tiheyden muutoksen aiheuttamalla sekoittumisella. Kun lämpöä poistetaan neliasteisesta vedestä, se kevenee ja alkaa nousta ylöspäin.

Lämpöpumpulla toteutetussa sekoituksessa ei alusveteen kesällä siirtyisi päällysvedestä yhtä paljoa happea kuin nykyisillä pumpuilla. Tätä kuitenkin kompensoisi noin kymmenen astetta alhaisemmaksi jäävä lämpötila, joka puolittaisi alusveden hapenkulutuksen. Kylmä vesi voisi tarjota suotuisan elinympäristön jopa lohikaloille.

Vedestä otettuna lämpöenergia maksaisi alle puolet suoralla sähköllä tuotetusta. Toisin kuin maalämmössä keruuputkiston ympärillä vesi vaihtuu koko ajan, jolloin lämpötilaero lämmönkeruunesteen ja putkiston pinnan välillä pysyy mahdollisimman suurena ja tuottaa siten parhaan lämmönkeruutehokkuuden. Tosiasiallinen tehokkuus olisi vielä suurempi, sillä lämpöpumpuilla energian siirron molemmat päät olisivat hyödynnettävissä: järvessä jäähdytys hoitaisi sekoituksen ja maalla lämmitys menisi kiinteistöille.

Lämpöpumppusekoitus on tehokkaimmillaan talvella, jolloin myös lämmön tarve on suurin. Kesällä sekä asuntojen jäähdytys että käyttöveden lämmitys voitaisiin valjastaa veden sekoittamiseen.

Enonselässä on talvellakin valtavasti energiaa, joten kokonaisvaltaisin toteutus voisi olla kaukolämpöverkkoon kytkeytyminen. Tässä ei kuitenkaan tarvitsisi lähteä koko järvestä vaan se voitaisiin tehdä vaiheittain yksi syvännealue kerrallaan.

Viiden vuoden kokemus Enonselän sekoitushapetuksesta on tuottanut positiivisia tuloksia ja lämpöpumppuja käyttämällä sen haittapuoliltakin vältytään. Lämmön ja sekoituksen yhteistuotanto olisi sekä Enonselälle että lähiasutukselle ihanteellinen ratkaisu. 

kirjoittaja: Kalevi Salonen

Tutkimusblogeissa avataan vesistöjen tilan tutkimukseen ja seurantaan liittyviä kysymyksiä ja haasteita. Blogit ovat osa hämäläistä Yhteisillä aalloilla –viestintähanketta.