HABs State of the Science webinar series:HABs Blooms Detection, Composition & Effects

In partnership with:

July 19, 2016

1

Speakers:James Larson – U.S. Geological Survey

Donna Kashian – Wayne State UniversityAli Shakoor – Wayne State UniversityCarrie Givens – U.S. Geological SurveyKevin Meyer – University of Michigan

GoToWebinar Housekeeping Items

• Submit your text questions and comments using the Questions Panel

• Note: This webinar is being recorded and will be posted on the HABs Collaboratory website

July 19, 2016

2

Great Lakes HABs Collaboratory“A virtual laboratory for information sharing and collective actions to address 

HABs” 

Multidisciplinary group, 100+ members from different Agencies, Ministries, Colleges, Universities and Organizations across the Great Lakes

Scientists

Scientists

Managers 

July 19, 2016

3

HABs State of the Science webinar series

• Result of the inaugural meeting of the HABs Collaboratory– Identified need for communication between researchers, and between researchers and managers

• Present on‐going research projects related to HABs in the Great Lakes region

• Goals:– Improve communication– Knowledge transfer– Opportunities for collaboration

July 19, 2016

4

Ohio Sea Grant / OSU Stone Lab• Managing 55 HABS related projects (~$7,000,000)

– 18 funded by Ohio Sea Grant– 5 funded by OSU’s Field 2 Faucet initiative– 32 funded under the Ohio Department of Higher Education (OSU/UT; 18 

vs. 14)• Stone Lab Guest and Research Lecture Series

– June 16th, 23rd, 30th, July 7th, 14th, 28th, and August 4th– 7pm ‐9pm – https://ohioseagrant.osu.edu/news/calendar

• 9/15/16 “State of Science” meeting in Toledo– Stranahan Theater– Modeling, BMPs, and Public Health‐Water treatment– https://ohioseagrant.osu.edu/news/calendar/2016/09/15/o47km/underst

anding‐algal‐blooms

July 19, 2016

5

James Larson – U.S. Geological Survey

EVALUATING POTENTIAL ECOSYSTEM INDICATORS OF GREAT LAKES RESTORATION SUCCESS

July 19, 2016

6

Project Overview• Evaluating potential ecosystem indicators of 

Great Lakes restoration success• James Larson, U.S. Geological Survey• Lake Erie/Saginaw Bay/Traverse Bay (2013‐

2016)• Identify the extent to which gradients in 

cyanobacterial blooms, anthropogenic disturbance and other environmental gradients influence biodiversity, secondary production and habitat quality

July 19, 2016

7

Approach

• Ecological Process Monitoring Stations– Common consumer as surrogate for secondary 

production– Hester‐Dendy samplers– Decomposition (cotton/metal/plastic)

• Stable isotopes at the base of food webs over time in response to changes in eutrophication

– Archived samples of mayflies in western basin, Lake St. Claire, Detroit river from 1980s‐2014.

July 19, 2016

8

Summary of Findings

July 19, 2016

9

Larson JH, Richardson WB, Evans MA, et al (2016) Measuring spatial variation in secondary production and food quality using a common consumer approach in Lake Erie. Ecol Appl26:873–885.

HABs Collaboratory

• What questions still need to be answered about HABs?

• How can collaboration help your research?

July 19, 2016

10

Donna Kashian, Anna Boegehold, Karim Alame

CYANOBACTERIA LIMITS DREISSENID SPERM MOBILITY AND FERTILIZATION SUCCESS

July 19, 2016

11

Project Overview

• Title:  Cyanobacteria limits dreissenid sperm mobility and fertilization success

• Investigators:  Donna Kashian1, Anna Boegehold1, Karim Alame1, and Nicholas Johnson2

1Wayne State University, 2USGS Hammond  Bay Biological Station USGS

• Location:  Cyanobacteria cultures collected from water bodies in the Great Lake region; 2013‐present

• Hypothesis: Cyanobacteria inhibits spawning in quagga mussels

July 19, 2016

12

July 19, 2016

13

Mussels obtained from the Detroit River, MI were induced to spawn with serotonin for all experiments.

Spawning  was assessed when exposed to 13 cyaonbacteriacultures and an isolated toxin (Microcystin‐LR)

Sperm Vitality was assessed by quantifying the distance, velocity, and acceleration of their movements microscopically using image‐tracking software 

Fertilization was assessed by combining sperm and eggs in well plates and exposing them to cyanobacteria. Fertilization was monitored microscopically and quantified

Approach

* All experiments had controls of water and/or water with Ankistrodesmus as appropriate.

Summary of Findings

July 19, 2016

14

Dreissenid populations may be particularly sensitive during bloom events when control measures may be more effective‐ better control of mussels potentially better control of blooms‐ feedback mechanisms.

A chemical tool for reducing dreissenid reproduction might be derived from cyanobacteria to be used in tandem with other biocides

What did you learn from your work?Microcystis negatively affects dreissenid reproductionReduced sperm movement, acceleration and decreased fertilization

What happened that you didn’t expect?We did not expect the impacts on sperm; the toxin is not causing the 

impacts,  

Relevant conclusions for water quality managers?

HABs Collaboratory

What questions still need to be answered about HABs?

How do HABs impact other species?(i.e. Broadcast spawners; fish movement; sub‐lethal impacts etc. )  

How can collaboration help your research?Sharing cyanobacteria cultures; biochemist

July 19, 2016

15

Ali Shakoor and Donna Kashian ‐Wayne State University

SPATIAL ECOLOGY AND MOVEMENT OF JUVENILE WALLEYE IN RESPONSE TO HARMFUL ALGAL BLOOMS

July 19, 2016

16

Project Overview• Title

– Spatial Ecology and Movement of Juvenile Walleye in Response to Harmful Algal Blooms

• Author & Affiliations– Ali Shakoor and Donna Kashian Wayne St. Univ.

• Funding Source– Erb Family Foundation

• Project Location & Study years– Maumee Bay, Western Basin Lake Erie‐2017 & 18

• Research hypothesis– Juvenile walleye will avoid HABs in Western Basin Lake Erie

July 19, 2016

17

Project background

• What lead you to this project? (past projects, interests, etc.)

– Majority of HAB’s related research was focused on human health, financial effects, water quality, and possible causes.

– An interest in possible food web interactions and trophic dynamics possibly altered by HAB’s

– Interest in walleye biology and ecology

July 19, 2016

18

Approach

• How will you meet your project objectives to answer your hypothesis?

– Track juvenile walleye movements with acoustic telemetry– HAB location, transport, and severity will be tracked as part of GLERL’s existing HABs 

program • Statistical analysis of data from current/historical data sets 

(ODNR, NOAA, Collaborators)– Water quality, zooplankton abundance and community composition, historical spatial 

and abundance patterns of juvenile walleye in response to HAB’s events

• What are your expected results?– We expect that juvenile walleye will avoid HAB’s events– Distinct possibility that they may be attracted to HAB’s events

July 19, 2016

19

Approach

July 19, 2016

20

http://vemco.com/wp‐content/uploads/2013/02/vps_webinar1.htm

HABs Collaboratory• What questions still need to be answered about HABs?

– Are there any behavioral changes to economically/environmentally important species as a result of HAB’s?

– How is a food web already stressed by invasive species further altered by HAB’s events?

– Could HAB’s events have long‐term effects on population dynamics of economically/environmentally important species?

• How can collaboration help your research?– Aquatic invertebrate data– Preyfish abundance/distribution in and around HAB’s– Walleye hatch data– Boat time– Use of any spare Vemco acoustic receivers possible collaborators may have

July 19, 2016

21

Carrie E. Givens*, Joseph W. Duris, Chris D. Ecker, James H. Larson, Keith Loftin, Peter Lenaker, Erin A. Stelzer, 

Mary Anne Evans

U.S. Geological Surveycgivens@usgs.gov

CHANGES IN MICROBIAL COMMUNITIES AND MICROBIAL‐MEDIATED PROCESSES  IN RELATION TO CYANOBACTERIAL HARMFUL ALGAL BLOOM 

FORMATION AND TOXIN PRODUCTION

July 19, 2016

22

This information is preliminary and is subject to revision. It is being provided to meet the need for timely best science. The information is provided on the condition that neither the U.S. Geological Survey nor the U.S. Government may be held liable for any damages resulting from the authorized or unauthorized use of the information.

Project Overview• Landscape to Lake Processes: the Relation of Biotic and 

Abiotic Factors to the Development of Harmful Algal Blooms and Their Toxicity

Changes in Microbial Communities and Microbial‐Mediated Processes in Relation to Cyanobacterial Harmful Algal Bloom Formation and Toxin Production 

• U.S. Geological Survey – multiple Centers, multiple disciplines

• U.S. EPA Great Lakes Restoration Initiative

• Great Lakes – 2014 to present 

July 19, 2016

23

WQ1

WQ2

WQ3

WQ4WQ5W

Q6

Project Objectives– Structural and functional connection between sediment 

microbial communities and that of the water column

– Microbial succession prior to, during, and after blooms 

– Influence of increased eutrophication on connections between microbial communities of sediment and water column  and environmental factors related to HABs

– Affect of cyanobacteria communities on mussel fitness and lipid content 

July 19, 2016

24

Project Team• USGS team of scientists 

– Microbial ecologist interested in changes in microbial community form and function with environmental perturbations

– Changes in microbial communities in water, sediment, biofilms

– Also interested in host microbiome response – HABs and human and animal health 

July 19, 2016

25

Approach• Using next generation sequencing (Illumina MiSeq and 

HiSeq) and bioinformatics – 16S rRNA sequencing  – “who’s there?”– Metagenomic survey – “who’s there?” and “what 

can they do?” (metabolic capabilities)

July 19, 2016

26

HABs Collaboratory

• Influence of sediment cyanobacterial community on next year’s bloom

• Understanding the relation between nutrient type and form on bloom size and toxicity

• Connections between open‐lake and nearshore processes 

• Influence of HABs on health and physiology of aquatic organisms

Collaboratory=collaborate– at minimum, know what other scientists are doing, discuss 

results 

July 19, 2016

27

Kevin A. Meyer – University of Michigan

META‐OMICS ANALYSIS OF LAKE ERIE MICROCYSTIS STRAINS AND BLOOMS

July 19, 2016

28

Project Overview• Meta‐omics analysis of Lake Erie Microcystis strains and 

blooms• Collaborators

– Kevin A. Meyer – University of Michigan– Greg Dick – University of Michigan– Tim Davis – NOAA: GLERL– Derek Smith – University of Michigan– Sue Watson – Environment Canada

• Funding provided by:– Great Lakes Water Restoration Initiative– UM Water Center

• Lake Erie western basin: 2014 – ongoing

July 19, 2016

29

Approach• Annual sampling 

during bloom season– In collaboration 

with GLERL sampling

– Toxicity– Metagenomics & 

metatranscriptomics• Microcystis sp.• Associated 

bacteria 

– Hydrogen peroxide

July 19, 2016

30

Summary of Findings• Microcystis has a high proportion of strain‐

specific unique genes– Unique genes are present and expressed in Lake Erie– More defense‐oriented genes in the flexible genes

• The Lake Erie microbial community influences hydrogen peroxide fluxes

– Microcystis contribute to the source but likely not the sink

– Microcystis likely relies on other microbes to combat oxidative stress from hydrogen peroxide

July 19, 2016

31

HABs Collaboratory• What questions still need to be answered about HABs?

– Are unique genes regulated in response to environmental changes?– What role do associated bacteria play in responding to reactive 

oxygen species?– Does higher oxidative stress select for toxic strains of Microcystis or 

regulate mcy expression. • How can collaboration help your research?

– Exchange new/unique isolates of Microcystis – Exchange sequences from metagenomic and metatranscriptomic

studies of Lake Erie Microcystis blooms– Building a graph database using Neo4j

• Great Lakes microbes• Searchable relationships, gene clusters, and annotations

– Investigate diel cycles of both H2O2 and unique gene expression

July 19, 2016

32

HABs Blooms Detection, Composition & Effects

In partnership with:

July 19, 2016

33

Questions?

Coming up next:HABs & Public Health

Tuesday, July 26 2016, 1:00‐2:00 pm (EDT)

HABs Monitoring & Forecasting – Thursday August 11, 1‐2 p.m. (EDT)HABs Blooms Sources & Toxicity – Tuesday August 16, 

11 a.m.‐12 p.m. (EDT)HABs: Educate and Engage ‐ TBD

To learn more about the HABs Collaboratory and the HABs State of the Science Webinar Series, visit us at: 

http://glc.org/projects/water‐quality/habs/

July 19, 2016

34