Effects of copepods, diatoms and their interactions on denitrification in marine sediments: an experimental approach

Willem Stock Marleen De Troch Anne Willems Koen Sabbe
Het belang van de vergeten schakel: roeipootkreeftjes beïnvloeden de stikstofcyclusIn de Westerschelde worden dagelijks grote hoeveelheden nitraat geloosd. Wanneer deze stof in zee stroomt, wordt het natuurlijk biochemisch evenwicht verstoord. Gelukkig zijn er bacteriën in de riviermonding aanwezig, die het nitraat kunnen omzetten tot onschadelijk stikstofgas. Willem Stock onderzocht in zijn masterproef hoe deze micro-organismen beïnvloed worden door de organismen waarmee ze samenleven.Alle levende organismen hebben stikstof nodig. Het is een essentieel onderdeel van eiwitten en DNA.

Effects of copepods, diatoms and their interactions on denitrification in marine sediments: an experimental approach

Het belang van de vergeten schakel: roeipootkreeftjes beïnvloeden de stikstofcyclus

In de Westerschelde worden dagelijks grote hoeveelheden nitraat geloosd. Wanneer deze stof in zee stroomt, wordt het natuurlijk biochemisch evenwicht verstoord. Gelukkig zijn er bacteriën in de riviermonding aanwezig, die het nitraat kunnen omzetten tot onschadelijk stikstofgas. Willem Stock onderzocht in zijn masterproef hoe deze micro-organismen beïnvloed worden door de organismen waarmee ze samenleven.

Alle levende organismen hebben stikstof nodig. Het is een essentieel onderdeel van eiwitten en DNA. Stikstof maakt zo’n 78% uit van de atmosfeer, doch niet altijd in de gepaste vorm die opname door planten en dieren toelaat. De meeste organismen zijn immers niet in staat om stikstofgas op te nemen. Slechts enkele bacteriën kunnen stikstofgas opnemen en omzetten naar actief stikstof, zoals ammonium en nitraat, waar de andere organismen wel gebruik van kunnen maken.

In de lente van 1914, in het kleine Duitse stadje Oppau, werd de eerste fabriek in gebruik genomen die op grote schaal ammonium kon produceren uit stikstofgas. De opening van de fabriek luidde het begin in van de meest drastische impact op de globale biochemie ooit. Nu, net geen honderd jaar later, is door de menselijke activiteit de hoeveelheid actief stikstof op Aarde verdubbeld. In vele Europese riviermondingen is de actieve stikstoftoevoer zelfs vertienvoudigd. Door de hoge stikstofbelasting ontstaan giftige algenboeien en wordt de samenstelling van de aanwezige fauna en flora sterk verstoord. Om de gevolgen van de verhoogde stikstofbelasting te kunnen remediëren, is het in de eerste plaats noodzakelijk dat we de stikstofcyclus en de rol van aquatische organismen hierin beter begrijpen.

In het slib van riviermondingen zijn bacteriën aanwezig die in staat zijn om actief stikstof te verwijderen. Ze zetten de overmaat aan nitraat en nitriet terug om tot stikstofgas tijdens een proces genaamd denitrificatie. Via dissimilatieve nitraatreductie, zijn er zelfs bacteriën die nitraat en nitriet kunnen omzetten naar ammonium. Ammonium zal, in tegenstelling tot de gassen gevormd door denitrificatie, niet verdampen. In tegendeel, ammonium is voor veel organismen, zoals algen, makkelijker op te nemen dan nitraat.

Beide processen gebeuren simultaan, naast elkaar. De bacteriën, die de reacties katalyseren, treden er in competitie voor het beschikbare nitraat en nitriet. Welke bacteriën er de overhand hebben, wordt bepaald door de omgevingscondities. Met andere woorden, het zijn deze condities die bepalen of de actieve stikstof in het systeem blijft of dat ze eruit verwijderd wordt. Als we de zware stikstofbelasting in onze riviermondingen en kustzones willen tegen gaan, is het bijgevolg noodzakelijk om te weten welke spelers die condities beïnvloeden.

In zijn scriptie focuste Willem Stock zich op de invloed die kiezelwieren en roeipootkreeftjes hebben op de condities in het slib van de Westerscheldemonding en de gevolgen hiervan op denitrificatie en dissimilatieve nitraatreductie. Kiezenwieren zijn eencellige algen die vaak zeer talrijk bovenop het slib aanwezig zijn en vormen er een donkerbruine, zogenaamde biofilm die duidelijk zichtbaar is op het slib. De biofilm vormt de basis van het voedselweb in deze sedimenten. Roeipootkreeftjes zijn kleine kreeftachtigen en belangrijke grazers van zowel kiezelwieren als bacteriën. Zowel kiezelwieren als roeipootkreeftjes komen ze in grote aantallen voor in het slib, waar ook bacteriën aanwezig zijn die nitraat en nitriet gebruiken.

Om het effect van de algen en de kreeftjes op de stikstoffluxen te onderzoeken werden kleine experimentele containers ingericht. Slib, verzameld in de Westerscheldemonding, werd gelijk verdeeld over de containers. Het slib werd vooraf gezeefd en ingevroren om er alle algen en roeipootkreeftjes uit te verwijderen. De bacteriën zijn in staat het invriezen te overleven en zij bleven er dus in aanwezig. Aan de containers werden vervolgens kiezelwieren, roeipootkreeftjes, een combinatie van beiden of niets toegevoegd. Na een week incubatie onder gecontroleerde licht- en temperatuurcondities, werd een grote hoeveelheid nitraat toegevoegd. Door de concentratieveranderingen van nitraat en de andere stikstofcomponenten op te volgen, kon bepaald worden welke invloed de algen of kreeftjes en hun interacties hadden op de nitraat-omzettende bacteriën. De roeipootkreeftjes bleken een significante invloed te hebben. In hun aanwezigheid werd minder nitraat omgezet via denitrificatie ten voordele van dissimilatieve nitraatreductie. Er werd dus meer actief stikstof in het systeem gehouden in hun aanwezigheid. Dit geobserveerde effect was hoogst waarschijnlijk te wijten aan de excretieproducten van de kreeftjes. Ze vormen een belangrijke bron van koolstof voor de bacteriën en vooral diegene die nitraat tot ammonium omzetten weten hier goed mee om te gaan. De kiezelwieren op zich bleken geen significante invloed te hebben. In de containers waar zowel algen als kreeftjes aanwezig waren, was de invloed van de roeipootkreeftjes nog sterker. De kiezelwieren konden dus, hoewel ze zelf geen effect hadden op de stikstoffluxen, wel het effect van de kreeftjes versterken. Ze waren immers een extra voedselbron voor de roeipootkreeftjes, waardoor deze meer excretieproducten uitscheidden.

Het is duidelijk een strategie van de roeipootkreeftjes om de actieve stikstof in het slib te houden. Dit actieve stikstof zal immers de groei van kiezelwieren en bacteriën bevorderen. De roeipootkreeftjes zorgen op die manier voor een versterkte groei van hun voornaamste voedselbronnen.

Aan de hand van labo-experimenten werd in deze masterproef voor de eerste maal aangetoond dat roeipootkreeftjes een belangrijke impact kunnen hebben op de hoeveelheid actief stikstof die uit de riviermonding verwijderd wordt. Dit is een essentiële bijdrage tot onze, tot nog toe, beperkte kennis van de stikstofcyclus en de factoren die de stikstofconcentraties in aquatische milieus bepalen. Het is een belangrijke stap voorwaarts in het inschatten van de gevolgen die de grote input van actieve stikstof door antropogene activiteit heeft en zal hebben in de toekomst.

Bibliografie

An, S., Gardner, W. S. (2002). Dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) as a nitrogen link, versus denitrification as a sink in a shallow estuary (Laguna Madre/Baffin Bay, Texas). Mar. Ecol. Prog. Ser. 237: 41-50.

An, S. M., Joye, S. B. (2001). Enhancement of coupled nitrification—denitrification by benthic photosynthesis in shallow estuarine sediments. Limnol. Oceanogr. 46:62-74.

Berne,r R. A., De Leeuw, J. W., Spiro B., Murchison, D.G., Eglinton, G. (1985). Sulphate Reduction, Organic Matter Decomposition and Pyrite Formation [and Discussion]. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 315: 25-38.

Bartoli, M., Castaldelli, G., Nizzoli, D., Viaroli, P. (2012). Benthic primary production and bacterial denitrification in a Mediterranean eutrophic coastal lagoon. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 438: 41-51.

Beaulieu, J. J., Tank, J. L., Hamilton, S. K., Wollheim, W. M., Hall, R. O., Mulholland, P. J., et al. (2011). Nitrous oxide emission from denitrification in stream and river networks. Proc. Natl. Acad. Sci. 108(1) : 214-219.

Beyst, B., Hostens, K., Mees, J. (2001). Factors influencing fish and macrocrustacean communities in the surf zone of sandy beaches in Belgium: temporal variation. J. Sea Res. 46(3-4): 281-294.

Berner, R. A., Westrich, J. T. (1985). Bioturbation and the early diagenesis of carbon and sulfur. Am. J. Sci. (United States). 285(3) : 193-206.

Binnerup, S. J., Jensen, K., Revsbech, N. P., Jensen, M. H., Sørensen, J. (1992). Denitrification, dissimilatory reduction of nitrate to ammonium, and nitrification in a bioturbated estuarine sediment as measured with 15N and microsensor techniques. Appl. Environ. Microbiol. 58(1) : 303-313.

Braeckman, U., Provoost, P., Gribsholt, B., Van Gansbeke, D., Middelburg, J. J., Soetaert, K., et al. (2009). Role of macrofauna functional traits and density in biogeochemical fluxes and bioturbation. Mar. Ecol. Prog. Ser. 399: 173-186.

Braeckman, U., Provoost, P., Moens, T., Soetaert, K., Middelburg, J. J., Vincx, M., Vanaverbeke, J. (2011). Biological vs. physical mixing effects on benthic food web dynamics. PloS one. 6(3) : e18078.

Braker, G., Zhou, J., Wu, L., Devol, A. H., Tiedje, J. M. (2000). Nitrite Reductase Genes (nirK andnirS) as Functional Markers To Investigate Diversity of Denitrifying Bacteria in Pacific Northwest Marine Sediment Communities. Appl. Environ. Microbiol. 66(5) : 2096-2104.

Brettar, I., Moore, E. R. B., Höfle, M. G. (2001). Phylogeny and abundance of novel denitrifying bacteria isolated from the water column of the central Baltic Sea. Microb. Ecol. 42(3) : 295-305.

Burgin, A. J., Hamilton, S. K. (2007). Have we overemphasized the role of denitrification in aquatic ecosystems? A review of nitrate removal pathways. Front. Ecol. Environ. 5(2) : 89-96.

Cardoso, P. G., Pardal, M. A., Lillebø, A. I., Ferreira, S. M., Raffaelli, D., Marques, J. C. (2004). Dynamic changes in seagrass assemblages under eutrophication and implications for recovery. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 302(2): 233-248.

Christensen, P. B., Nielsen, L. P., Sørensen, J., Revsbech, N. P. (1990). Denitrification in nitrate-rich streams: diurnal and seasonal variation related to benthic oxygen metabolism. Limnol. Oceanogr. 35(3) :640-651.

Coenye, T., Falsen, E., Vancanneyt, M., Hoste, B., Govan, J. R., Kersters, K., andamme, P. (1999). Classification of Alcaligenes faecalis-like isolates from the environment and human clinical samples as Ralstonia gilardii sp. nov. Int. J. Syst. Bacteriol. 49(2) : 405-413.

Coull, B. C. (1999). Role of meiofauna in estuarine soft‐bottom habitats. Aust. J. Ecol. 24(4) : 327-343.

Dolbeth M., Pardal M.A., Lillebø A.I., Azeiteiro U., Marques U.J.C. (2003). Short- and long-term effects of eutrophication on the secondary production of an intertidal macrobenthic community. Mar. Biol. 143: 1229-1238.

Dong, L. F., Naqasima Sobey, M., Smith, C. J., Rusmana, I., Phillips, W., Stott, A., et al. (2011). Dissimilatory reduction of nitrate to ammonium, not denitrification or anammox, dominates benthic nitrate reduction in tropical estuaries. Limnol. Oceanogr. 56(1) :279.

Felber, R., Conen, F., Flechard, C. R., Neftel, A. (2012). Theoretical and practical limitations of the acetylene inhibition technique to determine total denitrification losses. Biogeosciences. 9(10) : 4125-4138.

Frangoulis, C., Christou, E. D., Hecq, J. H. (2004). Comparison of marine copepod outfluxes: Nature, rate, fate and role in the carbon and nitrogen cycles. Adv. Mar. Biol. 47 : 253-309.

Gamble, T. N., Betlach, M. R., Tiedje, J. M. (1977). Numerically dominant denitrifying bacteria from world soils. Appl. Environ. Microbiol. 33(4) : 926-939.

Gerlach, S. A. (1971). On the importance of marine meiofauna for benthos communities. Oecologia. 6(2) : 176-190.

Goeyens, L., De Vries, R. T. P., Bakker, J. F., Helder, W. (1987). An experiment on the relative importance of denitrification, nitrate reduction and ammonification in coastal marine sediment. Netherlands journal of sea research. 21(3) : 171-175.

Gorshkova, N. M., Ivanova, E. P., Sergeev, A. F., Zhukova, N. V., Alexeeva, Y., Wright, J. P et al. (2003). Marinobacter excellens sp. nov., isolated from sediments of the Sea of Japan. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 53(6) : 2073-2078.

Groffman, P. M., Altabet, M. A., Böhlke, J. K., Butterbach-Bahl, K., David, M. B., Firestone, M. K., et al. (2006). Methods for measuring denitrification: diverse approaches to a difficult problem. Ecological Applications. 16(6) : 2091-2122.

Handley K.M., Lloyd J.R. (2013). Biogeochemical implications of the ubiquitous colonization of marine habitats and redox gradients by Marinobacter species. Front. Microbiol. 4: 136.

Herbert, R. A. (1999). Nitrogen cycling in coastal marine ecosystems. FEMS Microbiol Rev. 23(5) : 563-590.

Heylen, K., Vanparys, B., Wittebolle, L., Verstraete, W., Boon, N., De Vos, P. (2006). Cultivation of denitrifying bacteria: optimization of isolation conditions and diversity study. Appl. Environ. Microbiol. 72(4) : 2637-2643.

Howarth R. W. (1988). Nutrient limitation of net primary production in marine ecosystems. Ann. Rev. Ecol. Syst. 19: 89-110.

Howarth R. W, Marino R. (2006). Nitrogen as the limiting nutrient for eutrophication in coastal marine ecosystems:Evolving views over three decades. Limnol. Oceanogr.51(1) : 364-376.

Hunter, W. R., Veuger, B., Witte, U. (2012). Macrofauna regulate heterotrophic bacterial carbon and nitrogen incorporation in low-oxygen sediments. The ISME Journal. 6(11) : 2140-2151.

Ianora, A., Miralto, A. (2010). Toxigenic effects of diatoms on grazers, phytoplankton and other microbes: a review. Ecotoxicology. 19(3) : 493-511.

Joye, S., Porubsky, W., Weston, N., Lee, R. (2003, May). Benthic microalgal production and nutrient dynamics in intertidal sediments. In BioGeoChemistry of Tidal Flats: Proceedings of a Workshop held at the Hanse Institute of Advanced Study, Delmenhorst, Germany (pp. 67-70).

Kamp A., de Beer D., Nitsch L., Lavik G., Stief P. (2011). Diatoms respire nitrate to survive dark and anoxic conditions. PNAS. 108(14) : 5649-5654.

Kaspar H.F. (1983). Denitrification, nitrate reduction to ammonium, and inorganic nitrogen pools in intertidal sediments. Mar. Biol. 74: 133-139.

Koch, M. S., Maltby, E., Oliver, G. A., & Bakker, S. A. (1992). Factors controlling denitrification rates of tidal mudflats and fringing salt marshes in south-west England. Est. Coast. Shelf Sci. 34(5) : 471-485.

Koop-Jakobsen K., Giblin A. E. (2010). The effect of increased nitrate loading on nitrate reduction via denitrification and DNRA in salt marsh sediments. Limnol. Oceanogr.55(2): 789-802.

Kristensen, E. (1988). Benthic fauna and biogeochemical processes in marine sediments: microbial activities and fluxes. Nitrogen cycling in coastal marine environments. 275-299.

Magalhães, C., Bano, N., Wiebe, W. J., Bordalo, A. A., Hollibaugh, J. T. (2008). Dynamics of nitrous oxide reductase genes (nosZ) in intertidal rocky biofilms and sediments of the Douro River Estuary (Portugal), and their relation to N-biogeochemistry. Microb. Ecol. 55(2) : 259-269.

Magalhães, C. M., Machado, A., Matos, P., Bordalo, A. A. (2011). Impact of copper on the diversity, abundance and transcription of nitrite and nitrous oxide reductase genes in an urban European estuary. FEMS Microbiol. Ecol. 77(2) : 274-284.

Mayor, D. J., Thornton, B., Zuur, A. F. (2012). Resource Quantity Affects Benthic Microbial Community Structure and Growth Efficiency in a Temperate Intertidal Mudflat. PloS one. 7(6) : e38582.

Montagna, P. A. (1984). In situ measurement of meiobenthic grazing rates on sediment bacteria and edaphic diatoms. Mar. Ecol. Prog. Ser. 18(1) : 119-130.

Nakano M., Inagaki T., Okunishi S., Tanaka R., Maeda H. (2010). Effect of salinity on denitrification under limited single carbon source by Marinobacter sp. isolated from marine sediment. J. Basic Microbiol. 50 (3) : 285-289.

Ogilvie, B. G., Rutter, M., Nedwell, D. B. (1997). Selection by temperature of nitrate‐reducing bacteria from estuarine sediments: species composition and competition for nitrate. FEMS Microbiol. Ecol. 23(1) : 11-22.

Paerl H.W. (2006). Assessing and managing nutrient-enhanced eutrophication in estuarine and coastal waters: Interactive effects of human and climatic perturbations. Ecological Engineering 26: 40-54.

Parent, S., Morin, A. (1999). Role of copepod-dominated meiofauna in the nitrification process of a cold marine mesocosm. Can. J. Fish. Aquat. Sci. 56(9) :1639-1648.

Pätch J., Serna A., Dähnke K., Schlarbaum T., Johannsen A., Emeis K. (2010). Nitrogen cycling in the German Bight (SE North Sea)—Clues from modeling stable nitrogen isotopes. Cont. Shelf. Res. 30: 203-213.

Risgaard-Petersen, N. (2003). Coupled nitrification-denitrification in autotrophic and heterotrophic estuarine sediments: On the influence of benthic microalgae. Limnol. Oceanogr. 48(1) : 93-105.

Risgaard-Petersen, N., Nicolaisen, M. H., Revsbech, N. P., Lomstein, B. A. (2004). Competition between ammonia-oxidizing bacteria and benthic microalgae. Appl. Environ. Microbiol. 70(9) : 5528-5537.

Risgaard-Petersen N., Rysgaard S., Nielsen L. P., Revsbech N. P. (1994). Diurnal

variation of denitrification and nitrification in sediments colonized by benthic microphytes. Limnol. Oceanogr. 39: 573-579.

Sanger, F., Nicklen, S., Coulson, A. R. (1977). DNA sequencing with chain-terminating inhibitors. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 74(12) : 5463-5467.

Schreiber, F., Wunderlin, P., Udert, K. M., Wells, G. F. (2012). Nitric oxide and nitrous oxide turnover in natural and engineered microbial communities: biological pathways, chemical reactions, and novel technologies. Front. Microbial. 3: 372

Seitzinger S. P. (1998). Denitrification in freshwater and coastal marine environments: Ecological and geochemical significance. Limnol. Oceanogr. 29: 73-83.

Shivaji, S., Gupta, P., Chaturvedi, P., Suresh, K., Delille, D. (2005). Marinobacter maritimus sp. nov., a psychrotolerant strain isolated from sea water off the subantarctic Kerguelen islands. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 55(4) : 1453-1456.

Souffreau, C., Vanormelingen, P., Verleyen, E., Sabbe, K., Vyverman, W. (2010). Tolerance of benthic diatoms from temperate aquatic and terrestrial habitats to experimental desiccation and temperature stress. Phycologia. 49(4) : 309-324.

Stal, L. J., de Brouwer, J. F. C. (2003). Biofilm formation by benthic diatoms and their influence on the stabilization of intertidal mudflats. Berichte-Forschungszentrum Terramare. 12: 109-111.

Stenström, J., Hansen, A., Svensson, B. (1991). Kinetics of microbial growth-associated product formation. Swedish Journal of Agricultural Research, 21.

Suess E. (1979). Mineral phases formed in anoxic sediments by microbial decomposition of organic matter. Geochim. Cosmochim. Acta. 43 (3) : 339-352.

Smibert R. M., Krieg N. R. (1994). Phenotypic characterization. Gerhardt P., Murray R. G. E., Wood W. A., Krieg N. R. (Eds.), Methods for General and Molecular Bacteriology, American Society for Microbiology, Washington, p. 649

Smith, C. J., Nedwell, D. B., Dong, L. F., Osborn, A. M. (2007). Diversity and abundance of nitrate reductase genes (narG and napA), nitrite reductase genes (nirS and nrfA), and their transcripts in estuarine sediments Appl. Environ. Microbiol. 73(11) : 3612-3622.

Teixeira, C., Magalhães, C., Joye, S. B., Bordalo, A. A. (2012). Potential rates and environmental controls of anaerobic ammonium oxidation in estuarine sediments. Aquat. Microb. Ecol. 66(1) : 23-32.

Vadstein, O., Andersen, T., Reinertsen, H. R., Olsen, Y. (2012). Carbon, nitrogen and phosphorus resource supply and utilisation for coastal planktonic heterotrophic bacteria in a gradient of nutrient loading. MEPS. 447: 55-75.

Van Hecke J. (2013). Optimalisatie van cultivatiestrategieën voor bacteriën betrokken bij dissimilatorische nitraatreductie (denitrificatie/DNRA). Master thesis Biochemistry and biotechnology, Ugent.

Waser, N. A., Yin, K., Yu, Z., Tada, K., Harrison, P. J., Turpin, D. H., Calvert, S. E. (1998). Nitrogen isotope fractionation during nitrate, ammonium and urea uptake by marine diatoms and coccolithophores under various conditions of N availability. Mar. Ecol. Prog. Ser. 169: 29-41.

Wheeler B. (2010). lmPerm: Permutation tests for linear models. R package version 1.1-2. http://CRAN.R-project.org/package=lmPerm.

Zengler, K., Toledo, G., Rappé, M., Elkins, J., Mathur, E. J., Short, J. M., Keller, M. (2002). Cultivating the uncultured. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99(24) : 15681-15686.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de biologie
Publicatiejaar
2013
Kernwoorden
Share this on: