A comprehensive reconstruction of the Baltic Sea state from 1850 to 2006 is presented: driving forces are reconstructed and the evolution of the hydrography and biogeochemical cycles is simulated using the model BALTSEM. Driven by high resolution atmospheric forcing fields (HiResAFF), BALTSEM reproduces dynamics of salinity, temperature, and maximum ice extent. Nutrient loads have been increasing with a noteworthy acceleration from the 1950s until peak values around 1980 followed by a decrease continuing up to present. BALTSEM shows a delayed response to the massive load increase with most eutrophic conditions occurring only at the end of the simulation. This is accompanied by an intensification of the pelagic cycling driven by a shift from spring to summer primary production. The simulation indicates that no improvement in water quality of the Baltic Sea compared to its present state can be expected from the decrease in nutrient loads in recent decades.

Abstract Marine ecosystems such as the Baltic Sea are currently under strong atmospheric and anthropogenic pressure. Besides natural and human‐induced changes in climate, major anthropogenic drivers such as overfishing and anthropogenic eutrophication are significantly affecting ecosystem structure and function. Recently, studies demonstrated the existence of alternative stable states in various terrestrial and aquatic ecosystems. These so‐called ecosystem regime shifts have been explained mainly as a result of multiple causes, e.g. climatic regime shifts, overexploitation or a combination of both. The occurrence of ecosystem regime shifts has important management implications, as they can cause significant losses of ecological and economic resources. Because of hysteresis in ecosystem responses, restoring regimes considered as favourable may require drastic and expensive management actions. Also the Baltic Sea, the largest brackish water body in the world ocean, and its ecosystems are strongly affected by atmospheric and anthropogenic drivers. Here, we present results of an analysis of the state and development of the Central Baltic Sea ecosystem integrating hydroclimatic, nutrient, phyto‐ and zooplankton as well as fisheries data. Our analyses of 52 biotic and abiotic variables using multivariate statistics demonstrated a major reorganization of the ecosystem and identified two stable states between 1974 and 2005, separated by a transition period in 1988–1993. We show the change in Baltic ecosystem structure to have the characteristics of a discontinuous regime shift, initiated by climate‐induced changes in the abiotic environment and stabilized by fisheries‐induced feedback loops in the food web. Our results indicate the importance of maintaining the resilience of an ecosystem to atmospherically induced environmental change by reducing the anthropogenic impact.

The Baltic Sea is a severely disturbed marine ecosystem previously used as a dumping ground for chemical warfare agents (CWA), which are now known to enter its food web. We have performed a modelling exercise using a calibrated and validated Central Baltic Ecopath with Ecosim (EwE) model to recreate the potential environmental pathways of the infamous Clark I (diphenylchlorarsine). Observations from modelling timestamps covering recent times correspond with in situ detections in sediments and Atlantic cod (Gadus morhua). Under applied modelling conditions and scenarios, there is an active transfer of Clark I from sediments through the Baltic Sea food-web. According to our results, Clark I bioaccumulates within the Baltic Sea food web exclusively throughout the detritus-based food chain. The EwE model for the Central Baltic Sea also allows the simulation of changes in the food web under multiple anthropogenic stressors and management efforts, including recommendations from the Helsinki Commission Baltic Sea Action Plan (HELCOM BSAP). Among all investigated scentarios and factors, the commercial fishing is the most impactful on Clark I accumulation rate and contamination transfer within the Baltic Sea food web. The study indicates the need to extend the existing monitoring approach by adding additional species representing a broader range of ecological niches and tiers within the food chains. From the environmental perspective, the remediation of Chemical Weapons by removal should be considered as part of the integrated management of the Baltic Sea.