Sampling of diatoms as bioindicators

Påväxtprovtagning för kiselalgsanalys

Maria Kahlert & Amelie Jarlman(SLU) (Jarlman HB, Lund)

Dep. of Environmental AssessmentSwedish University of Agricultural Sciences

www.ma.slu.se

Sampling of diatoms as bioindicators General

• Diatoms are used for biomonitoring of water quality in most countries in Europe, and also in USA, Australia, Japan and Brazil.

• For Europe, the diatom method is recommended for monitoring of almost all stream types (Hering et al. 2006).

• The method is based upon the fact that all diatoms have different optima and tolerance limits for different environmental variables (nutrients, organic pollution, acidity).

• Kiselalger används allmänt för att bedöma vattenkvalitet i Europa, liksom i många andra länder såsom USA, Australien, Japan och Brasilien.

• I Hering et al. (2006) rekommenderas kiselalger som bioindikator i de flesta typer av europeiska vattendrag.

• Metoden baseras på det faktum att alla kiselalger har optima med avseende på tolerans eller preferens för olika miljöförhållanden (näringsrikedom, organisk förorening, surhet mm.).

Sampling of diatoms as bioindicators General

• Diatoms are found almost everywhere, and their taxonomy and ecology is well documented.

• In some waters it is the only feasible biological method (Dell'Uomo 1996).

• Diatoms often reflect water quality better than other organisms (Prygiel och Coste 1996, Hering et al. 2006).

• Kiselalger finns nästan överallt och deras taxonomi och autekologi är väl dokumenterad.

• Ibland den enda genomförbara biologiska undersökningen (Dell'Uomo 1996).

• Ofta speglar kiselalger vattenkvaliteten bättre än andra organismer (Prygiel och Coste 1996, Hering et al. 2006).

How to sample diatoms as bioindicators?Hur tar man prover för kiselalgsanalys?

Following:

SIS (2003). SS-EN 13946. Water quality – Guidance

standard for the routine sampling and pretreatment

of benthic diatoms from rivers (Vattenundersökningar - Vägledning för provtagning

och förbehandling av bentiska kiselalger i vattendrag)

Why this course?• 10 % of the differences between diatom

samples can be explained by the sampling (Prygiel et al. 2002). Experienced samplers have less errors.

Varför denna kurs?• Skillnader mellan prover kan till 10 % förklaras med

provtagningen (Prygiel et al. 2002). Rutinerade provtagare gör färre fel.

1) Sampling must be done in the main stream channel.Avoid very strong or very slow flow.Prov tas i huvudfåran och områden med väldigt starkt eller långsamt flöde undviks.

2) Sampling is done in the euphotic zone (‘as deep as your arms’). Prov tas i den eufotiska zonen där dina armar når ner till stenarna.

3) The substrate must have been under water at least 4-6 weeks before sampling.Substratet måste ha varit täckt av vatten 4-6 veckor före provtagning.

4) Do not sample in deep shadow.*Undvik kraftigt skuggade lokaler.*

picturesKelly & Yallop

Sampling site

• In case of repeated sampling, use the same marked sampling site.Document by x/y coordinates, fixed points at the shoreline, a drawing (and a photograph).Vid återkommande provtagningar används fasta provtagningssträckor. Läget anges med x/y-koordinater, samt relateras till fixpunkter på land och dokumenteras med skiss och ev. foto.

• Use a field protocol.Använd fältprotokoll.

Protokoll för lokalbeskrivning – påväxt

Vattenområdesuppgifter Län Sjö/Vattendrag Kommun Lokalnamn Topografisk karta Lokalkoordinater

Provtagningsuppgifter Datum Provtagare

Syfte Organisation

Metod för biol. provtagning Vattenkemiskt prov taget Ja Nej

Lokaluppgifter Lokalens längd m Vattenhastighet (0-3) Lokalens bredd mätt uppskattad m Grumlighet klart grumligt mycket grumligt

Vattendragsbredd, våt yta m Färg klart färgat starkt färgat Vattennivå låg medel hög Vattentemperatur o C

Lokalens medeldjup m Märkning av lokal Lokalens maxdjup m

Bottensubstrat och vattenvegetation (Dominerande typ D1, D2, D3; Förekomstklass 0, 1, 2, 3)

Oorganiskt material Dom. Typ

Förek. Klass

Vegetationstyp Dom. Typ

Förek. Klass

Dominerande art

Finsediment <0,2 Övervattenväxter

Sand 0,2-2 Flytbladsväxter

Grus 2-20 Långskottsväxter

Fin sten 20-100 Rosettväxter

Grov sten 100-200 Mossor

Fina block 200-400 Påväxtalger

Grova block 400-2000 Inbäddning (0-3)

Häll >2000 (se instruktion)

Organiskt material Dom. typ

Förek. Klass

Dom. typ

Förek. Klass

Fin detritus Fin död ved Grov detritus Grov död ved

Närmiljö 0-30 m (Dominerande typ D1, D2, D3; Förekomstklass 0, 1, 2, 3)

Dom. Typ

Förek. Klass

Dom. Typ

Förek. Klass

Dom. Typ

Förek. Klass

Lövskog Myr (våtmark) Kalfjäll Barrskog Åker Häll/Blockmark Blandskog Äng Artificiell Kalhygge Hed Annat

Strandzon 0-5 m Dom. typ

(D1, D2, D3) Dominerande art Subdominerande art

Träd Buskar Gräs/ Halvgräs/vass Annan vegetation Övrigt (sten, åker, obeväxt mark)

Beskuggning (0-3) Krontäckning (0-3)

Påverkan Typ (i fallande ordning) Påverkans styrka (1, 2 eller 3) A B C

Övrigt

Skiss över lokalen Ange märkning Norrpil och flödesriktning (vattendrag)

Foto över lokalen Ja Fotoid.………………….. Nej

Underskrift Utförare Datum

Sampling is done along a 10 m long ’river segment’, which is as representative for the stream as possible regardingsubstrate, vegetation, depth, velocity, and light.

Prov tas från en ca 10 m lång provtagningssträcka, som ärrepresentativ för lokalen när det gäller bottensubstrat, vegetation, vattendjup, vattenhastighet och ljus.

10 m

Sampling should, if possible, be carried out across the whole river, otherwise as long out as possible.

Provtagningssträckan omfattar helst hela vattendragets bredd; annars så långt ut i vattendraget som är möjligt, beroende på djup- och strömförhållanden.

Do not sample areas close to the bank.Området närmast strandkanten undviks dock.

Diatoms can be found on many substrates, but if possible, sample STONESKiselalger växer på många substrat, men ta prover helst från STEN

stones and bouldersstenar och block

sand & fine sedimentsand & finsediment

stones with filamentous algaestenar med trådformiga alger

macrophytesvattenväxter

artificial substratekonstgjorda ytor

from Kelly & Yallop

Collecting the diatoms

Stones• Submerged for at least 4-6 weeks before sampling• Not covered by filamentous algae or mosses• ~ 10-25 cm Ø (’cobbles’)• at least 5 stones• Oligotrophic / small stones: at least 10 stones

Stenarna• under vatten i minst fyra veckor före provtagningen• utan trådformiga alger/mossa• ~ 10-25 cm i diameter• minst 5 stenar• näringsfattigt / små stenar: minst 10 stenar

• Fill a jar with a certain volume of clean stream water (200-500 ml depending on sample bottle size)

• Filter the stream water if turbid• Hold stone above tray• Brush upper surface of stones vigorously with a new/clean

toothbrush to remove the diatoms• Use little of the stream water to rinse the diatoms from toothbrush

and stones into the tray• Brush and rinse at least 3 times per stone• Water in tray should be brown and turbid

Pictures from Kelly & Yallop

Better: Hold stone above tray !

• Tag 200-500 ml rent å-vatten i ett litermått (beroende på provtagningsburkarnas storlek).

• Filtrerar vatten om den är grumligt• Håll stenen över vannan.• Borsta den övre ytan och skölj ner materialet i vannan med små

mängder av vattnet. • Borstningen och sköljningen upprepas åtminstone 3 gånger på

varje sten. • Vattnet i vannan ska vara tydligt grumligt till slut.

Foton: Kelly och Yallop

OBS: Håll stenen över vannan!

• Homogenize sample and transfer the water from tray into labelled sample bottles:

• Two 100-250 ml bottles + one 20 ml bottle (1 sample for analysis, 1 spare sample, 1 small one for analysis of living algae)

• Note volume of used stream water and number of scraped stones in field protocol

• Materialet blandas noggrant och hälls i två 100-250 ml burkar. För analys av levande material fylls även en liten burk på ca 20 ml.

• Hur många stenar som borstats samt hur mycket vatten som använts ska anges på fältprotokollet.

100-250 ml 20 ml

optionally

• Allow the large bottles to stand until material has settled on the bottom of the jar.

• Pour off 2/3 of the clean supernatant and replace with 96% ethanol.

• Send one bottle to diatom expert.• Store the other bottle until the analysis is

finished.• Keep the small bottle cool and dark and send

it to the expert as soon as possible after sampling.

• Låt stora burkarna stå tills materialet sjunkit ordentligt och dekantera därefter av ca 2/3 av vätskan och ersätt med 96% sprit.

• Ena burken skickas till kiselalgsexperten och den andra sparas• Lilla burken förvaras mörkt och svalt och skickas ofixerad, senast

dagen efter provtagningen, till experten.

analysis

living material

spare

ethanol

x

optionally

Storån, Södermanland

alternatives substrates• SE recommendation: submerged macrophytes

(NOT too old or too young plants!)• other:

– vertical man-made surfaces in situ– introduced (’artificial’) substrates (tiles, rope, not glass)– macroalgae– emergent macrophytes (stems)

• SE rekommenderar: submersa makrofyter (OBS ej för gamla eller unga växter!)

• andra: – vertikala konstgjorda ytor in situ såsom betong, flytblock– introducerade konstgjorda ytor (kakel, rep, ej glas)– makroalger– övervattensväxter (stjälkar)

Sampling:• hard substrate: as stones• macrophytes/rope: sample/cut at least 5

replicates and place in sample bottle with clean stream water, shake vigorously and remove substrate

Provtagning:• hårda substrat: som stenar• makrofyter/rep: plockas/klipps av och läggs i burken med å-vatten.

Burken skakas kraftigt, varefter materialet kramas ur och avlägsnas

Macroalgae/bacteria

• In case of ≥ 50% cover of macroalgae or presence of macroscopic bacteria cover (greyish-white bushy filaments): – take a sample, store cool and dark with a little stream

water, and send to algal expert for analysis – note degree of cover in field protocol

• Om det finns ≥ 50% täckning av makroalger på provtagningslokalen ellermakroskopiskt bakteriepåväxt (gråvita/beiga tofsar), även i mindre mängd– ta ett prov, förvara det mörkt och svalt med lite å-vatten, och skicka

till experten– täckningsgraden anges på fältprotokollet

Sampling time/tiden för provtagningen

SE recommendation: • Long term monitoring: autumn sampling before macrovegetations decay• Frequency: yearly sampling• Other aims: sampling is possible during the whole year

The diatom community is adapted to changes in water quality during the whole year.(Iserentant and Blancke 1996; Rimet et al. 2005; Kahlert & Andrén 2005).

However, sudden changes will be reflected already after some day. (Lowe & Pan 1996, Eloranta 1999; Hirst et al. 2004).

SE rekommenderar• Tidsserieövervakning: provtagning under hösten innan nedbrytningen av makrovegetationen • Frekvens: ett prov per år• andra ändamål: prov kan tas i princip året om

Kiselalgssamhället återspeglar förhållandena i vattendraget under en längre period, upp till ett år före provtagningen. Samtidigt reagerar organismerna så pass snabbt på förändringar att t.ex. punktutsläpp kan spåras redan efter någon dag.

LAKES/SJÖAR

Littoral diatoms as bioindicators:• Tested successfully in several European countries: UK, Austria,

Hungary, Spain• One site per lake, if it is chosen with care, is sufficient to reflect the

water quality of the lake (King et al. 2005). • Advantage above sediment diatoms: simple sampling and finer

temporal tuning (King et al. 2000).

Kiselalger från littoralen som bioindikatorer:• Framgångsrikt testat i flera EU länder: UK, Österrike, Ungern, Spanien • En enda noga vald lokal återspeglar vattenkemin för hela sjön (King et al.

2005). • Fördelen gentemot kiselalger från sediment: enklare provtagning och

bättre tidsmässig upplösning (King et al. 2000).

Operational monitoringLessons from UK

UK recommendation for operational monitoring of nutrient reduction in streams (e.g. by water treatment plants) (Kelly 2003): • Use of at least 4 sampling sites per discharge• Repeated sampling (at least six samples to ensure

statistical power)

UK rekommendation för operativa övervakningen av närsaltsreduceringi vattendrag (t.ex. genom reningsverk) (Kelly 2003): • Minst 4 provtagningslokaler per ‘utsläpp’• Upprepade provtagningar (minst 6 provtagningar för en säker

statistik)

Operational monitoringSampling stations monitoring a point source

STWTown

Upstream and downstream of STW

Upstream of town

Recovery zone

STWTown

Upstream and downstream of STW

Upstream of town

Recovery zone

Fig 1. Schematic representation of sampling strategy. = sampling stations (from Kelly 2003).

Impacted site 1: by organic pollution (and by town)

Impacted site 2: only (?) by nutrients

reference site 1:not impacted

reference site 2:impacted by town

Question: Does the STW work well and strip nutrients from stream?

Operational monitoringTemporal and other variation

• Simultaneous upstream and downstream sampling eliminates temporal variation and permits the use of a paired sample t-test.• However, repeated sampling is necessary to ensure that any trends observed by ecological monitoring are robust (e.g. both broad trends and changes at point sources). • As a general rule at least six samples are required to ensure that results have a statistical power > 0.8.

• Samtidiga provtagningar uppströms och nedströms en punktkälla eliminerar tidsvariationen och gör en t-test möjligt.• Men provtagningen måste upprepas åtminstone 6 gånger för att säkerställa en statistisk power > 0.8.

ReferencesÁcs, É., Reskóné, N. M., Szabó, K., Taba, Gy. & Kiss, K. T. (2005). Application of benthic diatoms in water quality monitoring of lake Velence – recommendations and assignments. Acta Bot. Hung. 47 (3-4):211-223. Blanco, S., Ector, L. & Bécares, E. (2004). Epiphytic diatoms as water quality indicators in spanish shallow lakes. Vie Milieau, 54 (2-3):71-79. Epiphytic, littoral diatoms as bioindicators of shallow lakeDell'Uomo, A. (1996). Assessment of water quality of an Apennine river as a pilot study for diatom-based monitoring of Italian watercourses. Use of algae for monitoring rivers II. B. A. Whitton and E. Rott. Innsbruck, Institut für Botanik, Univ. Innsbruck: 65-72.Hering, D., Johnson, R. K. & Buffagni, A. (2006). Linking organism groups – major results and conclusions from the STAR project. Hydrobiologia 566:109-113.Hirst, H., Chaud, F., Delabrie, C., Juttner, I. & Ormerod, S. J. (2004). Assessing the short-term response of stream diatoms to acidity using inter-basin transplantations and chemical diffusing substrates. Freshw. Biol. 49: 1072-1088.Iserentant, R. & Blancke, D. (1996). A transplantation experiment in running water to measure the response rate of diatoms to changes in water quality. In: Ricard, M. (ed), Proceedings of the 8th Diatom symposium, Koeltz Scientifc Books, Königstein, pp. 347-354.Kahlert, M. & Andrén, C. M. (2005). Benthic diatoms as valuable indicators of acidity. Verh. Internat. Verein. Limnol. 29: 635-639.Lowe, R. L. & Pan, Y. (1996). Benthic algal communities as biological monitors. Algal Ecology: Freshwater Benthic Ecosystems. R. J. Stevenson, M. L. Bothwell and R. L. Lowe. San Diego, Academic Press: 705-740.M.G Kelly and M. Yallop. DARES-consortium. Sampling diatoms from running waters (ppt). http://craticula.ncl.ac.uk/dares/M.G Kelly (2003): Use of diatoms to monitor eutrophication in UK rivers. http://mysite.wanadoo-members.co.uk/bowcon/TDI_in_practice.docKing, L. Barker, P. & Jones, R. I. (2000): Epilithic algal communities and their relationship to environmental variables in lakes of the English Lake District. Freshwater Biology Applied Issues (2000) 45, 425–442.King, L., Clarke, G., Bennion, H., Kelly, M. & Yallop, M. (2005): Sampling littoral diatoms in lakes for ecological status assessments: a literature review. Environment Agency. Science Report SC030103/SR1.Políčková, A., Duchoslav, M. & Dokulil, M. (2004). Littoral diatom assemblages as bioindicators of lake trophic status: A case study from perialpine lakes in Austria. Eur. J. Phycol. 39:1-10. Prygiel, J., Carpentier, P., Almeida, S., et al. (2002). Determination of the biological diatom index (IBD NF T 90–354): results of an intercomparison exercise. J. Appl. Phycol. 14: 27-39.SIS (2003). Rimet, F., Cauchie, H. M., Hoffmann, L., et al. (2005). Response of diatom indices to simulated water quality improvements in a river. J. Appl. Phycol. 17: 119–128.SS-EN 13946. Water quality - Guidance standard for the routine sampling and pretreatment of benthic diatoms from rivers (= Vattenundersökningar - Vägledning för provtagning och förbehandling av bentiska kiselalger i vattendrag).C. L. Weilhoefer & Pan Y. (2007): A comparison of diatom assemblages generated by two sampling protocols. The North American Benthological Society.

Foto: AmeljåkkåBart van de Vijver

Swedish University of Agricultural Scienceswww.slu.se