Linking microbial communities and macrofauna functional diversity with benthic ecosystem functioning in shallow coastal sediments, with an emphasis on nitrifiers and denitrifiers
Year: 2017
Type: dissertation
Abstract: SAMENVATTINGOndiepe kust habitats behoren tot de meest waardevolle ecosystemen die complexe gemeenschappen van benthische organismen herbergen die instaan voor diverse ecosysteemdiensten.Cumulatieve activiteiten van de benthische fauna dragen bij tot fysische en chemische omgevingsparameters en beïnvloeden zo de snelheid van biogeochemische processen en het functioneren van benthische systemen in kustgebieden.Het intensief gebruik van de kustzone door de mens resulteert echter in grote druk op kustecosystemen wat leidt tot het verdwijnen van habitats en verlies aan biodiversiteit.Het is daarom noodzakelijk om Ecosysteem-gebaseerd beheer (Ecosystem-Based Management, EBM) in te voeren, om natuurlijke kustrijkdommen te beschermen en ook efficiënter te gebruiken.Dergelijk EBM moet steunen op een sterke wetenschappelijke basis, inclusief een grondig begrip van het verband tussen biodiversiteit en het functioneren van het ecosysteem.Er werd reeds aangetoond dat macrofauna gemeenschappen microbiële processen in de stikstofcyclus in mariene sedimenten beïnvloeden door hun effect op de fysische en chemische eigenschappen van de omgeving, beïnvloeden ze ook uitwisselingsprocessen over het raakvlak van water en sedimenten.Hoe de functionele kenmerken van macro-organismen, in interactie met micro-organismen, precies bijdragen tot het microbiële ecosysteem functioneren, blijft echter grotendeels onbekend.Deze doctoraatstudie had tot doel het effect van macrofauna (op gemeenschaps-en soortniveau) na te gaan op benthische microbiële gemeenschappen (totale gemeenschap en bepaalde functionele subgroepen) en hun activiteiten in de stikstofcyclus (nitrificatie en denitrificatie).De stikstofcyclus is een van de meest belangrijke biogeochemische cycli in ecosystemen.Hij voorziet alle levende cellen van de noodzakelijke stikstof ook voor primaire productie en remedieert eutrofiëring in mariene kustzones door biologisch actieve stikstof om te zetten tot gassen die vrijgesteld worden in de atmosfeer in terrestrische en mariene systemen (Canfield et al. 2005).Hoofdstuk 1 geeft een overzicht van de huidige kennis rond de definitie van het brede begrip "Ecosysteem functioneren" in relatie tot ecosysteemdiensten en belang voor beheer, en introduceert het belang van ondiepe kust habitats in mariene systemen.Het vi geeft een overzicht van de stappen in de stiktofcyclus, met nadruk op de microorganismen die instaan voor nitrificatie en denitrificatie en de bepalende omgevingsfactoren.Tot slot wordt het effect van benthische fauna op nitrificatie en denitrificatie besproken.In Hoofdstuk 2 werd de ruimtelijke en temporele variabiliteit van sedimentaire biogeochemische processen (nitrificatie en denitrificatie) onderzocht over een jaarcyclus (feb.-totnov.2011) in verschillende stations van het Belgische deel van de Noordzee (BPNS) die een brede waaier aan kustsedimenttypes vertegenwoordigen.We onderzochten de variatie in omgevingsparameters en de impact van structurele en functionele kenmerken van de macrofaunagemeenschap.Het Bioturbatie Potentieel van een macrofaunagemeenschap (BPc) werd gebruikt als een geïntegreerde proxy voor macrofauna activiteit.Onze resultaten toonden aan dat statistische modellen gebaseerd op BPc beter waren dan modellen op basis van structurele kenmerken en bevestigden dat de functionele eerder dan de taxonomische biodiversiteit van belang is voor het functioneren van benthische ecosystemen (Emmerson and Raffaelli, 2000; Ieno et al., 2006; Cardinale et al., 2012) en verklaren deze link over een relatief brede ruimtelijke schaal in het BPNS over een jaarcyclus.Om onze kennis over het verband tussen macrofauna en benthische processen verder uit te bouwen, selecteerden we tijdspunten van fytoplanktonbloei (april, juni, september 2011) voor een uitgebreide staalname voor een grondige studie van de microbiële gemeenschappen in de bovenste cm van het sediment (Hoofdstuk 3).Dit leverde een unieke dataset die ons toeliet het verband te onderzoeken tussen specifieke functionele aspecten van microbiële diversiteit en biogeochemische processen enerzijds, maar anderzijds ook hoe deze interacties beïnvloed worden door structurele eigenschappen en/of fysiologische activiteiten van de marcofauna gemeenschap over tijd en plaats.Microbiële gemeenschappen werden gekarakteriseerd door onderzoek van van de totale 16S rDNA bacteriële en archaea gemeenschap (exclusief extracellulair DNA) en de RNA-gebaseerde nitrifiërende gemeenschap(bacteria en archaea).Onze resultaten voor het BPNS ondersteunen het verband tussen microbiële biodiversiteit en processen in de stikstofcyclus in mariene sedimenten, aangezien er een correlatie was tussen diversiteitsaspecten van de totale bacteriële gemeenschap en de ammonia-oxiderende bacteria en archaea (-AOB en AOA) en respectievelijk stikstofmineralisatie en vii nitrificatie snelheid in het sediment.Deze relatie wordt beïnvloed door de macrofauna densiteit en/of activiteit (BPc) en ook door de jaarlijkse fytoplankton lentebloei (chl-a concentratie in water en sediment), en temporele en spatiale veranderingen in watertemperatuur, C:N verhouding, korrelgrootte.Terwijl nitrificatie-en denitrificatiesnelheden laag zijn in doorlaatbare modderige sedimenten, vertoonden fijne zandige sedimenten met hoge densiteiten aan macrofauna, biomassa en bioturbatie potentieel (BPc), de hoogste nitrificatiesnelheden in de zomer en de hoogste denitrificatiesnelheden gedurende heel het jaar.Ook toonden onze resultaten dat bacteria (totale gemeenschap en -AOB) meer varieerden over ruimte en tijd dan Archaea (totale gemeenschap en AOA) aangezien sedimentatie van organisch materiaal en daaropvolgende veranderingen in de omgeving een groter effect hadden op hun gemeenschapssamenstelling en diversiteitsparameters.De sterke relatie tussen BPc en biogeochemsiche processen in fijne zandige sedimenten weerspiegelt het belang van macrofauna activiteit en toont het belang aan van een beheer dat rekening houdt met functionele kenmerken van benthische gemeenschappen bij het beslissingsproces.De vaststelling van deze verbanden versterkt de nood om benthische microbiële indicators en ook macrofauna indicators mee te nemen en methoden te ontwikkelen om deze te integreren bij het beheer van zeebodem integriteit.Er zijn veel aanwijzingen dat "ecosysteem ingenieers" belangrijke effecten hebben op biogeochemische processen.In Hoofdstuk 4 voerden we een grondig experimenteel onderzoek uit naar het effect van de buisvormende polychete worm Lanice conchilega op de expressie van het functionele gene nosZ, betrokken bij de laatste stap van het denitrificatieproces.We planden ook om nitirifiërende organismen te onderzoeken, maar konden het bacteriële amoA gen niet amplificeren wegens de lage primer smelttemperatuur voor dit gen.L. conchilega vertoont zowel autogene als allogene ecosysteem wijzigende eigenschappen door respectievelijk zijn eigen fysische structuur en het bio-irrigeren van zijn buis.Deze polycheet komt voor in heel de Noordzee en kan dichtbevolkte aggregaten vormen, biogene riffen genaamd, en worst daarom beschouwd als een van de belangrijke "ecosysteem engineers" die kunnen gebruikt worden bij de implementering van EBM in de Noordzee.Onze kennis over hoe L. conchilega de sedimentaire processen beïnvloedt door zijn effect op micro-organismen viii is echter zeer beperkt.We onderzochten daarom horizontale en verticale patronen in de denitrifiërende microbiële gemeenschappen in L. conchilega biogene riffen in de intertidale zone van Boulogne-sur-Mer (Frankrijk) bij verschillende densiteiten van L. conchilega.Onze resultaten toonden aan dat vergeleken met sedimenten zonder Lanice, hoge dichtheden (3,185 -3,440 ind.m -2 ) significante effecten hebben op zowel de verticale en horizontale verspreiding van nosZ transcripten als op variaties in de samenstelling van deze transcripten.De waargenomen patronen in samenstelling en diversiteitsindices van nosZ transcripts in Lanice riffen zijn gerelateerd aan de heterogeniteit van de geochemische parameters van het sediment (zuurstofdiepte en zuurstofconcentratie over tijd en ruimte, %slib+klei en chl a concentraties) en werden vooral veroorzaakt door allogene effecten van Lanice in ons studiegebied.In Hoofdstuk 5 wordt de bekomen kennis over de structurerende en functionele effecten van macrofauna op de relatie tussen microbiota en ecosysteem functioneren in subtidale sedimenten met bioturbators, samengevat.Het belang van integratie van deze interacties bij de implementering van "Ecosystem-Based Management" wordt besproken.We stellen verder voor om betere beschrijvingen van het bioturbatie potentieel te ontwikkelen of om de BPc index uit te breiden met een proxy voor bioirrigatie bij toekomstig onderzoek.Ook bespreken we kort de methodologische uitdagingen bij het onderzoek naar het verband tussen micro-organismen en hun activiteiten en hoe we in onze onderzoeksstrategie hiermee omgingen.We toonden aan dat het gebruik van actieve functionele genen (amoA bacteria, amoA archaea en nosZ genen) grondiger inzichten geeft in de macrofaunamicro-organisme interacties en processen in vergelijking met DNA-gebaseerde of totale microbiële gemeenschap studies.irrigating activities, increasing the spatial complexity of the biogeochemical environment.
Author: Maryam Yazdani Foshtomi
Language: English
Subfield: Oceanography
Field: Earth and Planetary Sciences
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W2605967112