Microbial communities comprise immense diversity, mediating numerous ecosystem functions such as nitrogen transformation in aquatic ecosystems. Yet, how microbial communities and ecosystem functions respond to changes in environmental conditions at different spatial scales in aquatic habitats is not fully understood. This thesis investigates the effect of changes in environmental conditions at different spatial scales on Baltic Sea microbial diversity and nitrogen transformation, specifically denitrification, with a focus on biodiversity-ecosystem function relationship. Two spatial scale settings were examined. A small spatial scale setting was examined with experimental mesocosms of benthic sediment of different salinity and dissolved oxygen levels and at different spatial arrangements, and an incubation experiment conducted with benthic sediments from two different aquatic habitats enriched with 15N nitrate isotope. Microbial diversity, denitrification gene transcript abundances, and potential denitrification rate were analyzed. At a large spatial scale of the Baltic Sea benthic and coastal seascape, a metadata-based modeling approach was employed to investigate how current environmental conditions and future climatic change scenarios affect the predicted spatial distribution of key taxa of denitrifiers and nitrogen-fixing filamentous cyanobacteria. Results showed that salinity and dissolved oxygen levels significantly influenced denitrification capacity, according to analyses of transcript abundances of nirS and nosZ genes, which was mainly driven by habitat environmental conditions rather than habitat spatial arrangement. Bacterial community composition in experimental mesocosms was significantly affected by salinity. Findings from the small scale mesocosms experiments indicate that salinity can be an important driver of microbial denitrification capacity and affect microbial diversity in studied mesocosms. At large coastal and seascape scales, multi-realm environmental variables from both marine and terrestrial domains had significant impacts on the predicted distribution of the studied microbial taxa. The predicted distribution under different global warming trajectories indicated that rising temperatures in year2050 and 2100 risk reducing the current bio-climatically suitable areas of the studied denitrifiers and filamentous cyanobacteria across the Baltic Sea. The studies with experimental mesocosms and modeling approaches presented in this thesis contribute knowledge and novel predictions on the spatial response of ecosystem function and microbial communities to ongoing and future environmental changes in the Baltic Sea.

Östersjön genomgår stora miljöförändringar vilka förväntas påverka dess kustnära ekosystemfunktioner. Många ekosystemfunktioner, däribland kvävetransformation i akvatiska ekosystem, förmedlas av mikrobiella samhällen. Hur förändringar i miljöförhållanden i akvatiska livsmiljöer i olika rumsliga skalor och framtida klimatscenarier kan påverka relationen mellan mikrobiella samhällens mångfald och mikrobiella ekosystemfunktioner har varit understuderat. Avhandlingen undersöker effekten av förändringar i miljöförhållanden vid olika rumsliga skalor på relationen mellan mikrobiell mångfald och ekosystemfunktionen denitrifikation i kustnära  miljöer i Östersjön. Detta undersöktes på två rumsliga skalnivåer. På liten rumslig skala undersöktes experimentellt mesokosmer av mikrohabitat, med sediment med olika salthalt och nivåer av syre, i olika rumsliga arrangemang genom biogeokemisk och molekylär metodanalys. Potentiell denitrifikationshastighet, kvantitativ analys av transkript av denitrifikationsgener och mikrobiell diversitet analyserades. För analys av effekter på större geografisk rumslig skala, inom Östersjönskust- och havsområden, tillämpades en metadatabaserad spatial modelleringsmetod för att undersöka hur nuvarande miljöförhållanden och framtida klimatförändringsscenarier kan påverka prediktionen av den rumsliga fördelningen av studerade nyckeltaxa av denitrifierare och kvävefixerande filamentösa cyanobakterier. Resultaten visade att salthalt och syre signifikant påverkade den mikrobiella denitrifikationskapaciteten, enligt analys av transkript av nirS- och nosZ-generna, snarare än rumsligt arrangemang. Denitrifikationshastigheten var inte korrelerad med abundansen av nirS-transkript. Den bakteriella taxonomiska sammansättningen påverkades signifikant av salthalt. På kust- och havsskalenivå hade miljövariabler från både marina och terrestra domäner betydande inverkan på den predicerade fördelningen av de studerade bakteriella populationerna. Den förutspådda geografiska spridningen av de studerade denitrifierarna och filamentösa cyanobakterierna, under olika globala uppvärmningsscenarior, indikerade att stigande temperaturer år 2050 och 2100 riskerar att minska de nuvarande bioklimatmässigt lämpliga områdena i Östersjön för de studerade populationerna. Studierna med de experimentella mesokosmerna och modelleringsmetoderna som presenteras i avhandlingen bidrar med kunskap och nya förutsägelser om de rumsliga effekter på ekosystemfunktioner och mikrobiella samhällen under pågående och framtida miljöförändringar i Östersjön.