Fitness, the competitive advantage of an organism or gene, is the basis for adaptation and the emergence of complexity in biology. Competitive advantage is contextual, as it is affected by environmental pressures and ecological interactions. To enable experiments with complex environmental dynamics, we developed eVOLVER, a novel platform for scalable programmable continuous culture. In this thesis, we apply eVOLVER to interrogate how competitive outcomes between strains change according to environmental conditions. Using soil microbe communities as a model ecological system, we tuned dilution rate and frequency across 112 cultures in eVOLVER and observed replicable changes in composition and diversity. Our experimental results challenge intuition about the relationship between diversity and disturbance. In collaborative work, we compared different models of competitive growth in simulations. A Monod growth model outperforms Lotka-Volterra and linear consumer resource models at predicting the effect of varying dilution profiles on microbial diversity. We hypothesize that trade-offs in growth rate and nutritional requirements (r/K) create distinct niches which permit coexistence at certain mortality rates, but collapse under others. These findings suggest a mechanism that potentially affects diversity-disturbance relationships, and confirm that temporal fluctuations can promote diversity. In separate studies, we apply these methods and concepts to 1) study selection on a genome-scale library in yeast under conditions of fluctuating temperature stress in eVOLVER and 2) evaluate the persistence of engineered microbial spores relative to native strains in different “real-world” environments (e.g. soil) and perturbations. Broadly, this dissertation demonstrates that the combination of next-generation sequencing and scalable programmable culture technologies finally enables the types of experiments needed to test decades of theoretical work in ecology and evolution. / 2021-05-18T00:00:00Z

Bacterioplankton is characterized by high diversity, short generation times and rapid turnover. Despite their small size, these numerous microorganisms are a fundamental piece of aquatic ecosystems by channeling carbon to higher trophic levels through dissolved organic matter utilization. Yet, several gaps remain in our knowledge and understanding of bacterioplankton populations regarding detailed temporal dynamics, and mechanisms determining biogeographical patterns and potential responses to climate change. The aim of this thesis was to examine responses in bacterioplankton community composition and function when challenged by natural and anthropogenically-induced change in environmental conditions. High temporal resolution analysis of bacterioplankton population dynamics in the Baltic Sea indicated detailed seasonal responses. It also showed a similar but wide spectrum of niche differentiation patterns within several major bacterial groups. Analysis of geographic distributions of marine bacterial populations revealed bimodal occupancy-frequency patterns in bacterial communities, indicating that the presence of many locally rare taxa along with a few locally abundant taxa were explained by stochastic variation in colonization and extinction rates. Experimental manipulations with natural marine bacterioplankton assemblages revealed both specialist and generalist strategies in utilizing specific dissolved organic carbon compounds. When subjected to experimentally increased sea surface temperatures, lowered pH and additions of terrigenous carbon, some populations decreased in relative abundance while others were stable; concomitantly, many populations increased in relative abundance. Shifts in bacterial community composition were shown to correlate with changes in community functioning, but detection of such correlations depended largely on the detail of phylogenetic analysis and successional stage of the communities. The results in this thesis suggest that both natural and anthropogenically-induced changes in environmental conditions promote simultaneous adjustment and replacement of bacterial populations tightly linked with metabolic plasticity. These trade-offs play a significant role for understanding the relationship between bacterioplankton population dynamics and potential shifts in carbon cycling properties. We also show the importance of regional effects in shaping bacterial community composition, crucial for interpreting bacterioplankton distribution patterns. In conclusion, this thesis emphasizes the critical importance of connecting analysis of bacterioplankton population dynamics with examination of ecological mechanisms to improve our understanding of factors that regulate the distribution and activity of distinct bacterioplankton populations. / Hälften av all fotosyntes på vår planet utförs av växtplankton. De producerar organiskt material som utgör grunden för näringskedjan i havet. Ungefär hälften av det organiska material som produceras av växtplankton utnyttjas inte direkt, utan omsätts istället av bakterieplankton som lever och växer fritt i vattenmassan eller på olika partiklar. Bakterieplankton spelar därmed en nyckelroll i ekosystemet genom sin konsumtion av organiskt kol som för energi högre upp i näringskedjan. Trots deras nyckelroll i akvatiska miljöer vet vi fortfarande mycket lite om bakteriernas detaljerade säsongsmönster, mekanismer bakom rumsliga mönster och hur olika populationer kan komma att svara på klimatförändringar. Målet med denna avhandling var att undersöka hur specifika populationers dynamik och ekosystemfunktion påverkas av naturliga eller klimatorsakade förändringar i havsmiljön. Våra resultat av högupplöst säsongsbunden dynamik i Östersjöns bakteriesamhälle avslöjar en liknande bred uppdelning av ekologiska strategier inom varje större grupp av bakterier, både i relativ abundans och temporal fördelning. Utbredning i rum och tid av många lokalt ovanliga populationer jämfört med få lokalt vanliga populationer förklarades genom stokastisk variation i kolonisations- och utdöendehastigheter. Vidare tyder experimentella studier med tillsatser av olika kolkällor på att marina bakterier har olika ekologiska strategier, där populationer är specialister eller generalister i utnyttjandet av enskilda kolkällor. Med hjälp av experiment med naturliga bakteriesamhällen bekräftade vi tydliga temperatureffekter på bakteriesamhällets sammansättning, och en mindre effekt av lägre pH - som dock tillsammans med förhöjd temperatur bidrog till en tydlig synergistisk effekt på artsammansättningen. Ökad temperatur tillsammans med tillsats av terrestert kol gav också en stor effekt på bakteriesamhällets struktur och ekosystemfunktion och pekar på en potentiellt viktig påverkan av ökad framtida nederbörd och avrinning från vattendrag till havet. Samtliga tre experiment med fokus på klimatpåverkan bekräftade förekomsten av populationer som försvann eller minskade i relativ abundans vid klimatpåverkan (känslighet), medan andra var stabila (resistens). Samtidigt svarade många populationer positivt på klimatorsakade förändringar i havsmiljön och ökade i relativ abundans (respons) samtidigt som bakteriernas ekosystemfunktion påverkades positivt. Sammanfattningsvis visar denna avhandling att vissa nya bakteriepopulationer kan etablera sig och ersätta andra samtidigt som vissa befintliga populationer anpassar sin livsstrategi och ekologi till förändringar i havsmiljön. Vi visar också vikten av regionala effekter, d.v.s. kolonisation och utdöende, för bakteriesamhällets struktur, viktigt för tolkningen av biogeografiska mönster och den genomiska potentialen hos specifika populationer. Denna avhandling poängterar därmed betydelsen av att koppla studier av ekologiska mekanismer till både rumsliga och temporala spridningsmönster hos bakterier och till populationers kapacitet att svara på och anpassa sig till förändringar i havsmiljön.

Linbana som kollektivt transportmedel i tätbebyggt område är i Sverige ett nytt fenomen. Med hänsyn till samhällets urbanisering och ambition att tillgodose bostadsbehovet genom förtätning, framstår linbana som ett lämpligt komplement till att förstärka befintlig infrastruktur. Framförallt på grund av det marginella "fotavtryck" anläggningen utgör på miljön. Linbanor är energieffektiva och miljövänliga transportalternativ som även ger framkomlighet i miljöer där andra transportsätt är för svåra eller för dyra att anlägga. I studien har frågor kring ersättning av markintrång och störningar som en linbana kan medföra granskats. Studien redogör för de generella ersättnings- och värderingsprinciper som berör detta område, samt hur dessa kan appliceras på linbanor i tätbebyggt område. Studien har genomförts med en juridisk metod, som innebär en fördjupning i lagtext, förarbeten och doktrin. För att kunna bedöma inverkan av störningarna har även vägledande rättsfall och praxis använts. Intervjuer har gjorts med en förrättningslantmätare samt ett tekniskt råd på avdelning 6, Svea hovrätt (mark- och miljööverdomstolen) för att vidga studiens referensramar av de tolkningar som gjorts. Av studien framgår att regler för intrångsersättning i expropriationslagen ska tillämpas, oavsett vilket lagrum som används för markåtkomsten. Avgörande där är den marknadsvärdeförändring intrånget medför. Effekten på marknadsvärdet av markintrång som utgörs av enbart vajer mellan stationer och pelarstöd, är svårare att bedöma än det intrång som görs för stationer och pelarstöd. Svårigheten ligger i bedömningen av hur marknadsvärdet förändras när fastigheten "urholkas" för linbanan. En linbana kan anläggas på höga höjder, vilket innebär att fastighetens möjlighet att nyttja utrymmet under vajern i de fallen inte begränsas i någon större utsträckning. Bedömning måste dock göras i det enskilda fallet. Gällande störningar framkommer problem kring hur olika störningar kan uppfattas samt hur dess sammantagna effekt ska bedömas. Då linbana som kollektivt transportmedel i tätbebyggt område är nytt inom Sverige har ännu inga rättsfall kring markintrång eller störningar prövats. För att kunna göra en bedömning av störningar har en rättsfallsanalys gjorts av rättsfall med verksamheter vars störning liknar de som kan uppkomma från linbanor. Resultatet visar att ämnet är svårbedömt. Att pröva linbanan i detaljplan kan därför vara en nödvändig åtgärd. Linbanan blir då prövad i sin helhet, och inom ramen för detaljplan främjas en bra dialog med berörda sakägare och medborgare i allmänhet. / A gondola lift as a means of public transportation system is a new phenomenon in Sweden. In view of the urbanization and society’s ambition to accommodate the urgent need of housing through a concentration of the city, a gondola lift stands out as a suitable compliment for the existing infrastructure. Above all because of the small "footprint" the structure makes on the environment. As a transportation system, gondola lifts are energy efficient, environmentally friendly and provides accessibility where other transportation systems are too difficult or too expensive to build. The study has looked at questions of compensation for the property encroachments and environmental disturbances a gondola lift might cause. The study gives further details about the general principles of compensation and valuation regarding this area, and also how these principles can be applied to gondola lifts in urban areas. The study has been done using a legal methodology, which involves a deeper understanding of the law, government bills and doctrine. Guiding- and precedent court cases has been analyzed in order to make an assessment about the influence of the environmental disturbances. Interviews has been done with a cadastral surveyor at the Gothenburg municipality office and with a technical adviser at the environmental court of appeal, in order to broaden the perspectives of the interpretations made in the study. The study infers that the compensation rules of encroachment in the law of expropriation should be applied, no matter which law is used to expropriate for the gondola lift. Decisive when determining the compensation is the change in market value caused by the encroachment. It´s harder to estimate the effect on market value caused by encroachment of the cable only, than for encroachment of the station buildings and pillars. The difficulty lies in the estimation of the change in market value when the expropriated property is "hollowed" in favor of the gondola cable. A gondola lift can be built very high, which means that a property in those cases aren´t restricted in any large extent regarding the use of the property directly below the cable. Although, assessments must be done for each individual case. Regarding the different disturbances, problems occur around the way they are perceived and how the overall effect of different disturbances should be assessed. Because gondola lifts as a public transportation is so new, there hasn´t been any legal cases tried about its encroachment or disturbances. In order to make an assessment about disturbances, a court case analysis has been done using cases about activities which disturbances are comparably similar to the once caused by a gondola lift. The result of the study shows that this assessment is hard to do. A necessary proceeding might be to try out the gondola lift in a detailed zoning plan. The gondola lift is then tested as a whole, including the effects of disturbances and encroachment. The framework of a detailed zoning plan also promotes the dialog with the parties concerned as well as with the other citizens.