Testing the sensitivity of Phaeodactylum tricornutum to environmental conditions and pollutants

Abstract

Kiselalger har betydelig økologisk betydning som primærprodusenter da de er ansvarlige for mer enn 20% av global karbonfiksering og er viktige komponenter i den marine næringskjeden. Deres unike egenskaper gjør dem til attraktive kandidater for ulike bioteknologiske formål. Derfor er det essensielt å forstå hvordan kiselalger reagerer på miljøforandringer og å finne optimale vekstforhold som kan gi bedre utbytte i industrien. Denne avhandlingen undersøker responsen til kiselalgen Phaeodactylum tricornutum på økte konsentrasjoner av NaCl og MgCl2, og på per- og polyfluoralkylstoffer (PFASer). Saliniteten i sjøvann varierer betydelig i kystnære strøk, og kiselalger må tilpasse seg disse variasjonene. I den første delen av avhandlingen undersøkes virkningene av forhøyede nivåer av NaCl og MgCl2 på vekst, celledød, fotosyntetisk effektivitet og kapasitet, samt genuttrykk. Veksten avtok med økende saltkonsentrasjoner, med signifikant vekstreduksjon mellom 0,428 og 0,856 M for eksponeringer i 96 timer og én måned. Celledød inntraff for konsentrasjoner over 1,712 M innen 24 timer, og ble påvist ved hjelp av flowcytometri og propidium-jodidfarging. Ingen forskjeller i vekst ble observert mellom korttids- og langtidseksponering, noe som indikerer fravær av veksttilpasning etter langtidseksponering. Puls-amplitude-modulasjons-fluorometri viste økt fotosyntetisk effektivitet og kapasitet for begge salter. Målinger av osmolalitet indikerte flere partikler og høyere salinitet av NaCl-løsninger sammenlignet med MgCl2. Genuttrykk ble analysert ved revers transkripsjon-kvantitativ polymerasekjedereaksjon (RT-qPCR) og RNA-sekvensering. Funnene viste næringsmangel i den ueksponerte kontrollen og antydet at endringer i ionetransport ble indusert for å motvirke salinitetstress. Samlet sett viser resultatene at NaCl er mer potent enn MgCl2 ved samme kloridkonsentrasjon, noe som antyder at Na+ kan ha en større rolle i toksisiteten enn Cl-. De siste årene har effekten av PFASer på mennesker, samt regulering av stoffene, fått mye oppmerksomhet. Til tross for at sjøvann antas å være det endelige oppsamlingsstedet for PFASer, har få studier undersøkt virkningene på primærprodusenter nederst i den marine næringskjeden. Den andre delen av denne avhandlingen undersøker effekten av de to vanligste påviste PFASene på vekst av P. tricornutum. Relativ fluorescens ble målt med plateleser og ble brukt som en indikator på vekst. EC50 for 96 timers inhibering av relativ fluorescens ble funnet ved ca. 160 mg/l for perfluoroktansyre (PFOA) og 80 mg/l perfluoroktansulfonat (PFOS). Dette antyder biomagnifisering i den marine næringskjeden, som til slutt kan påvirke mennesker. Videre forskning er nødvendig for å forstå de biologiske mekanismene bak denne toleransen og den toksiske virkemåten til PFASer i kiselalger og i P. tricornutum.

Diatoms hold significant ecological importance as primary producers responsible for more than 20% of global carbon fixation and they are essential components of the marine food chain. Their unique traits make them potential candidates for various biotechnological applications. Understanding how diatoms respond to changing environments and identifying optimal conditions for growth and productivity is of great value. This thesis examines the responses of the diatom Phaeodactylum tricornutum to increasing concentrations of NaCl and MgCl2, and to per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs). Seawater salinity fluctuates substantially in the habitats of P. tricornutum, and the diatom must adapt to tolerate these changes. The first part of the thesis investigates the effects of elevated levels of NaCl and MgCl2 on growth, cell death, photosynthetic efficiency and capacity, and gene expression. Growth declined with increasing salt concentrations, with significant decreases between 0.428 and 0.856 M for 96 hour and long-term exposure. The 24 hour cell death was found for concentrations above 1.712 M using flow cytometry and propidium iodide staining. Short-term and long-term effects on growth were compared, indicating no adaption. Pulse-amplitude-modulation (PAM) fluorometry revealed increased photosynthetic efficiency and capacity for both salts. Measurements of osmolalities indicated more particles and higher salinity of the NaCl solutions compared to MgCl2. Gene expression was analyzed by reverse transcription-quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR) and RNA sequencing, revealing nutrient depletion in the non-exposed control and changes in ion flux as a mechanism to counteract salinity stress. Overall results showed that NaCl is more potent than MgCl2 at the same chloride concentration, suggesting that Na+ may contribute more to toxicity than Cl-. In recent years, the adverse effects of PFASs on humans and the regulation of the contaminants have received much attention. Despite seawater being hypothesized as the final sink for PFASs, few studies have examined the impact on primary producers at the base of the marine food chain. The second part of this thesis investigates the effects of the two most commonly detected PFASs on growth of P. tricornutum. Relative fluorescence was measured using a plate reader and used as an indicator for growth. The 96 hour EC50 for inhibition of relative fluorescence was found at approximately 160 mg/L for perfluorooctanoic acid (PFOA) and 80 mg/L for perfluorooctane sulfonate (PFOS). Tolerance to these high concentrations suggests magnification up the marine food chain, ultimately affecting humans. Further research is necessary to understand the biological mechanisms behind this tolerance and the toxic mode of action of PFASs in diatoms.