Studies on the impact of food web effects on nitrification in aquatic sediments [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Mario Prast

Studiesontheimpactoffoodwebeffectsonnitrificationin
aquaticsediments

DissertationzurErlangungdesGradeseines
DoktorsderNaturwissenschaften

-Dr.rer.nat.-

demFachbereichBiologiederUniversitätBremenvorgelegtvon

MarioPrast

AprBrilemen2007

ist,EinverFgliusstss
gespeisdet,r

2

passtsichdemWegan,dermöglich
Qaberuelleni,essceihnwilltZiele,r,dasdurcMheerdi.eZFarlüstasen
aufdieerunterwegstrifft,stetigan.

Handbuch

esd

oelhoCaoloP

KriegersdesLichts

DievorliegendeArbeitwurdeinderZeitvonFebruar2004bisApril2007amMax-Planck-
InstitutfürMarineMikrobiologieinBremenundamFachbereichOrganismischeBiologieder
UniversitätSalzburgangefertigt.

:Gutachter1.Gutachter2.n:i

erüfrP:

Prof.Dr.RudolfAmann
Prof.Dr.Ulrike-GabrieleBerninger

Prof.Dr.WilhelmHagen
Dr.TimothyFerdelmann

TagdesPromotionskolloquiums:15.6.2007

3

IARTP

Tableofcontent

CHAPTER1:SYNOPSIS
1.1Abstract/Zusammenfassung
1.2GeneralIntroduction
1.3Grazingselectivityfornitrifyingbacteria
1.4Impactofciliatesonnitrificationinfluvialsediments
1.5Impactofciliatesonnitrificationinmarinesediments
1.6Impactofbioturbationonnitrification
1.7Settlingoffixedplanktonciliatesamples
1.8Generalconclusions
utlookO91.

IIARTP

CHAPTER2:DOCILIATESHAVEANEFFECTONTHENITROGENCYCLE
THROUGHGRAZINGONNITRIFYINGBACTERIA?
2.1Abstract
oductionntrI22.2.3Material&Methods
ultsesR42.2.5Discussion

4

7

880115026213534042

43

444444464935

CHAPTER3:THEIMPACTOFCILIATESONNITRIFICATIONINSEDIMENTS
OFTHERIVERSALZACH(AUSTRIA)
3.1Abstract
oductionntrI23.3.3Material&Methods
ultsesR43.3.5Discussion

CHAPTER4:IMPACTOFCILIATESONNITRIFICATIONANDNITRIFYING
BACTERIAINBALTICSEASEDIMENTS
4.1Abstract
oductionntrI24.4.3Material&Methods
ultsesR44.4.5Discussion

CHAPTER5:IMPACTOFNEREISDIVERSICOLOR(O.F.MUELLER,1776)ON
NITRIFICATIONANDNITRIFYINGBACTERIAINTWOTYPES
OFSEDIMENTS
5.1Abstract
oductionntrI25.5.3Material&Methods
ultsesR45.5.5Discussion

5

585885606527

767667778058

898998919499

CHAPTER6:CONCENTRATIONOFFIXEDPLANKTONSAMPLESVIA
SETTLING:HOWLONGISLONGENOUGH?
6.1Abstract
oductionntrI26.6.3Material&Procedures
ultsesR46.6.5Discussion

CHAPTER7:REFERENCES

CHAPTER8:APPENDIX
8.1Listofpublications
8.2Erklärunggem.§6Abs.5derPromotionsordnung
agunganksD38.evationsbbrA48.

6

102102102103109113

116

135135137138140

P

ARTI

7

1.SYNOPSIS

racttAbs1a1.

Nitrificationisanimportantbiogeochemicalpathwayintheupper,oxiclayerof
aquaticsedimentsandispredominantlyaccomplishedbytwogroupsof
chemolithotrophicnitrifyingbacteria.Whilethesebacteriahavebeensubjectto
numerousautecologicalstudiesbefore,theyhaverarelybeenregardedaspartof
foodwebs,inwhichtheyhavetocompetewithotherorganismsfornutrientsand
substratesandinwhichtheyarepreytootherorganisms.Theimpactofciliatesas
importantbacterialgrazersinsedimentsonnitrificationandnitrifyingbacteriawas
investigated,bothinmarineandfreshwatersystems.Invitroexperimentswere
conductedtodetectandevaluateapossiblegrazingselectivityofciliatesforor
againstnitrifyingbacteria.Furthermore,theeffectofabioturbatingomnivorous
polychaete(Nereisdiversicolor)inmarinesedimentswasstudied.Naturalsediments
inlaboratoryflumeswereusedtodetectquantitativeeffectsofciliatesorNereis.
Theresultsindicatethatincreasedciliateabundancesledtohighernitrification
potentials,higherabundancesofnitrifyingbacteriaandhighernitrateconcentrations.
Theeffectswerestrongestinmarinesediments.Selectivefeedingcouldberuledout
asacause.IncreasedbacterialabundancesinthepresenceoftheNereisandchanges
inthecommunitycompositionofnitrifyingbacteriawerefound.
Thelong-knownandwidelyusedsettlingmethodfortheenrichmentoffixedciliate
cellsfromplanktonsampleswascriticallyreviewedinanadditionalstudy.The
settlingtimescommonlyusedarebasedonexperienceorestimation,butnoton
experimentallyderiveddata.Settlingtimesforsevenciliateculturesweredetermined
empiricallyandtheoreticalsinkingvelocitieswerecalculated.Amethodforthe
-1determinationoftheciliatedensity(intermsofgml)hadtobedevelopedforthe
theoreticalapproach.Theresultsrevealedthatthesinkingvelocityismuchhigher
thanassumed,whichallowstosaveupto95%ofsettlingtimeandimprovesthe
qualityoftheresults.

8

1.1bZusammenfassung

Synops1.is

DieNitrifikationisteinbedeutenderbiogeochemischerProzessindenoberen,
oxischenBereichenvonaquatischenSedimenten,dervorallemvonzweiGruppen
chemolithotropherBakterienkatalysiertwird.DieseBakterienwurdenbereitsin
vielenautökologischeStudienuntersucht.JedochwurdensiebisherseltenalsTeil
vonNahrungsnetzenbetrachtet,indenensiemitanderenOrganismenumNährstoffe
undSubstratekonkurrierenundindenensieBeutefürandereOrganismendarstellen.
DerEinflussvonCiliatenalswichtigeRäubervonBakterieninSedimentenaufdie
NitrifikationunddienitrifizierendenBakterienwurdesowohlinmarinen-alsauchin
Süßwasser-Sedimentenuntersucht.Invitro-ExperimentezurBestimmungderFraß-
SelektivitätderCiliatenfürodergegennitrifizierendeBakterienalsmögliche
Ursachewurdendurchgeführt.DarüberhinauswurdederEffekteines
bioturbierendenomnivorenPolychaeten(Nereisdiversicolor)inmarinenSedimenten
ermittelt.VersuchemitnatürlichenSedimenteninLabor-Fließrinnenwurden
eingesetzt,umeinenmöglichenquantitativenEinflussvonCiliatenoderNereis
festzustellen.
ErhöhteAbundanzenvonCiliatenführtenzuhöherenNitrifikationspotentialen,
höherenNitratkonzentrationenundhöherenAbundanzenvonnitrifizierenden
Bakerien.DieserEffektwarinmarinenSedimentenstärkerausgeprägt.Selektiver
FraßderCiliatenfürodergegennitrifizierendeBakterienkonnteausgeschlossen
werden.DieAnwesenheitvonNereisführtezuerhöhtenBakerienabundanzenund
einerverändertenGemeinschaftdernitrifizierendenBakterien.
IneinerweiterenStudiewurdediehäufigeingesetzteSedimentations-Methodezur
AnreicherungvonfixiertenPlankton-Probenkritischbetrachtet.Diebislang
verwendetenSedimentationszeitenberuhenaufErfahrungoderSchätzung.Für
siebenCiliatenkulturenwurdedieSinkgeschwindigkeitempirischbestimmtund
zusätzlichtheoretischberechnet.HierfürmusstezunächsteineMethodezur
BestimmungderDichte(gml-1)entwickeltwerden.DieErgebnissezeigen,dassdie
Sinkgeschwindigkeitdeutlichhöheristalserwartet.Dadurchkönnenbiszu95%der
Sedimentationszeiteneingespartwerdenunddieergebnissewerdenzuverlässiger.

9

1.2Generalintroduction

isSynops1.

Amongthebiogeochemicalelementcycles,thenitrogencycle(Fig.1.1)isoneofthe
mostimportantones.Nitrogenisanessentialnutrientforallorganisms,andnitrogen
compoundsarerelevantforanumberofenvironmentalproblemssuchas
eutrophication(Rabalais2002)orthegreenhouseeffect(Lentetal.1999).Within
thenitrogencycle,numeroustransformationsarecatalyzedbyvariousprokaryotes,
someofwhichwereidentifiedonlyveryrecently(Strousetal.1999,Könneckeetal.
2005).Manyautecologicalstudiesontheseorganismshavebeenconducted,but
despitetheirimportance,theseprokaryoteshaveonlyrarelybeenlookedatasapart
ofafoodweb,inwhichtheyhavetocompeteforsubstratesandnutrientsandin
whichtheymightbepreytootherorganisms(Verhagen&Laanbroeck1992),
ciliates(Lavrentyevetal.1997,Strauss&Dodds1997).Inordertostartfillingthis

Fig.1.1:Theglobalnitrogencycle.UnitsareTg(1012g)Nyr-1.FromSöderlund&
Rosswall(1982)basedonSöderlund&Svensson(1976)

10

isSynops1.

gap,thisPhDthesisfocussedonecologicalaspectsofnitrificationandnitrifying
bacteria.Nitrificationisthesequentialoxidationofammonium(NH4+)tonitrate
(NO3-)vianitrite(NO2-),anditispredominantlyaccomplishedbychemolithotrophic
bacteria.Thefirststepistheammoniumoxidation,whichproceedsbyaseriesof
oxidationstagesthroughhydroxylamineandpyruvicoximetonitrousacid:

NH4++1O22H++NO2-+H2O
(G0´=-66.0kcal)
NH4+NH2OHH2N2O2HNO2

Thistransformationiscatalyzedbybacteria,whicharelargelyconfinedtothegenus
Nitrosomonas(Nitrobacteriaceae,orderPseudomonadales),althoughNitrosococcus,
Nitrosospira,Nitrosolobus,Nitrosovibrioandseveralothertaxa,includingmethane-
oxidizingbacteriaandcrenarchaeota,arealsoknowntobecapableofthisprocess
(Wetzel2001andliteraturecitedherein,Könneckeetal.2005).Thesecondstepis
tion:oxidaitritenthe

NO2-+O2NO3-
(G0´=-18.0kcal)

ThebacteriacatalyzingthisstepareNitrobacter,Nitrospira,Nitrospinaand
Nitrococcus.NitrificationisanaerobicprocessandrequiresapHclosetoneutral.It
canbeinhibitedbycertainorganiccompoundssuchastanninsandbyhigh
intensitiesoflight(Horrigan&Springer1990,Wetzel2001andliteraturecited
herein).Nitrificationisanimportantprocess,asittransferstheprimaryexcretion
productammoniumintonitrate,whichcanthenbeutilizedasnutrientorremoved
fromthesystembydenitrificationtoN2.Ammoniumcanalsobeoxidizedinan
anaerobicprocess(anaerobicammonuimoxidation;Anammox)(Jettenetal.1999),
butthispathwayiscatalyzedbydifferentorganisms(Strousetal.1999).
Nitrificationdoesnotonlytakeplaceinthewatercolumn,butalsoinsediments,
whereitisspatiallycloselycoupledtootherbiogeochemicalprocessesduetothe
steepgradientsatthesediment/waterinterfaceandwherebacterialabundancesare
higherthaninthewatercolumn.Onlyre