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Biogeochemical interactions among benthic macrofauna, microbial communities and macrophytes in eutrophic coastal lagoons
Disertacijos gynimo komisijos pirmininkas / Dissertation Defence Board Chairman | |
Viaroli, Pierluigi | Disertacijos gynimo komisijos narys / Dissertation Defense Board Member |
Nizzoli, Daniele | Disertacijos gynimo komisijos narys / Dissertation Defense Board Member |
Disertacijos gynimo komisijos narys / Dissertation Defense Board Member | |
Janas, Urszula | Disertacijos gynimo komisijos narys / Dissertation Defense Board Member |
Mokslinis konsultantas / Research Consultant |
Surface sediments are interesting spots to analyze the paradigm of biodiversity and ecosystem functioning due to the multiple physic and chemical gradients that shape the interactions among microbial communities, macrofauna and primary producers. Sediments receive large inputs of organic matter and are sites of intense biogeochemical processes, mediated by microbial communities and facilitated by macrofauna, ultimately resulting in nutrients uptake by benthic primary producers or their recycling to the water column. The relationship between diversity and ecosystem functioning was analyzed at different spatial scales in the benthic compartment of two shallow eutrophic lagoons, the Curonian Lagoon (Lithuania) and the Sacca di Goro (Italy). Special attention was given to the benthic nitrogen (N) cycle, due to the critical role of this element in aquatic ecosystem functioning and to the complex regulation of its various oxic and anoxic reactions, carried out by diverse microbes and strongly influenced by macrofauna and primary producers. Investigations were carried out at different spatial scales included whole lagoon (macro-scale) as well as single macrofauna individuals and holobionts’ microbiomes (micro-scale). At the two lagoons the benthic functioning was evaluated by quantifying rates of whole system respiration and production via gas exchange, nutrient cycling and exchange at the sediment-water interface. Multivariate statistical analyses were used to reveal the interactions between the dominant macrofauna species and net solute fluxes and speculate about underlying processes. Such approach allowed to reconstruct how different macrofauna functional groups shape benthic N cycling in different macro areas of the Sacca di Goro, and determine net loss, net recycling or different level of coupling between processes (e.g., ammonification and nitrification, or nitrification and denitrification). In the Curonian Lagoon the whole scale approach was used to verify whether macrofauna act as a natural buffer against redox-dependent phosphorus recycling during short-term events of oxygen shortage. Manipulative experimental approaches addressed specific processes at the microscale, in sediments colonized by different macrofauna functional groups, and along gradients of density. Such approaches included intact or reconstructed sediment incubation, metabolic measurements of single macrofauna individuals, and the use of 15N-labeled inorganic N forms to measure specific microbial transformations (denitrification, anammox, nitrate ammonification, N-fixation) in sediments or in macrofauna microbiota. Moreover, molecular tools were used to analyze microbial diversity (16S rRNA metabarcoding) and activity (marker genes and transcripts) in holobionts. Three organisms that are abundant in the Curonian lagoon were considered: the burrowing larvae of Chironomus plumosus, the filter feeder bivalve Dreissena polymorpha and the phytophagous gammarid Pontogammarus robustoides. Results suggest that in the Sacca di Goro lagoon macrofauna play an important role, in regulating N transformations. However, its importance also depends on the prevailing environmental factors (i.e., salinity, hydrodynamics and background nutrient concentrations). Whereas in the Curonian Lagoon bioturbation did not significantly affect the nutrient metabolism and the stability of reductive-oxidative reactions during anoxia events. Molecular studies revealed that Chironomid larvae burrows are hot-spots of microbial communities involved in N cycling and that these organisms, via bioirrigation, significantly enhance both the recycling of ammonium and N removal via denitrification. Mussels primarily enhance the recycling of N to the water column, both via direct excretion and by stimulating dissimilatory nitrate reduction to ammonium. The latter is likely an effect of mussel’s biodeposits. For these two organisms the quantification of functional genes showed a significantly higher potential for microbial denitrification, nitrate ammonification and N2-fixation in macrofauna as compared to the surrounding environment. As chironomid and dreissenid densities in eutrophic lagoons are large, animals-associated microbes may account for a substantial (and so far, overlooked) N import and recycling. P. robustoides was finally demonstrated to have an important role in the survival of Chara contraria in the eutrophic Curonian Lagoon. The gammarid facilitates C. contraria via active grazing on the macroalgaeassociated epiphytes combined with ammonium excretion, thus supporting the growth of the characeans.
Paviršinės dugno nuosėdos yra idealus pavyzdys, analizuojant biologinės įvairovės ir ekosistemų funkcionavimą dėl čia esančių daugybės fizinių ir cheminių gradientų, kurie lemia mikroorganizmų bendrijų, makrofaunos ir pirminių gamintojų sąveiką. Įprastai dugno nuosėdų paviršiuje kaupiasi organinė medžiaga, vyksta intensyvūs mikroorganizmų vykdomi biogeocheminiai procesai, kuriuos reguliuoja makrofaunos veikla. Dėl jos keičiasi maistmedžiagių ir kitų elementų apykaita tarp dugno nuosėdų ir priedugnio vandens bei jų prieinamumas pirminiams gamintojams. Doktorantūros darbe sąveika tarp įvairovės ir ekosistemos funkcionavimo buvo analizuojama skirtingose dimensijose – nuo mikro- iki makroskalės, dviejose sekliose eutrofininėse lagūnose – Kuršių mariose (Lietuva) ir Sacca di Goro (Italija). Išskirtinis dėmesys buvo skirtas azoto (N) ciklui dugno nuosėdose dėl šio elemento svarbos ekosistemos funkcionavimui ir jo mikrobiologinių virsmų kompleksiškumo, kurį lemia makrofauna ir pirminiai gamintojai. Azoto ciklo virsmų tyrimai apėmė ekosistemos lygmenį (makro), individo bei holobionto (mikro). Visos dugno bendrijos funkcionavimas kiekybiškai įvertintas išmatuojant kvėpavimo, dujų ir maistmedžiagių asimiliacijos bei produkcijos greičius. Tuo tarpu daugiamatė statistinė analizė buvo taikoma identifikuojant sąveiką tarp vyraujančių makrofaunos grupių ir skirtingų junginių apykaitos greičių. Pastarasis metodas suteikė galimybę aprašyti pagrindinius mechanizmus kaip makrofauna gali reguliuoti N biogeocheminius procesus (amonifikaciją, nitrifikaciją ir denitrifikaciją) Sacca di Goro lagūnos paviršinėse dugno nuosėdose. Kuršių mariose daugiamatė statistinė analizė padėjo įvertinti ar makrofaunos vaidmuo svarbus reguliuojant redukcijos-oksidacijos reakcijų stabilumą ir fosforo judrumą formuojantis trumpalaikėms deguonies trūkumo sąlygoms. Eksperimentiniai metodai buvo taikomi nustatyti specifiniams procesams mikroskalėje, kurie vyksta nuosėdose, paveiktose skirtingų makrofaunos funkcinių grupių. Darbe naudoti eksperimentiniai metodai apėmė nesuardytos struktūros ar rekonstruotų dugno nuosėdų mikrokosmų inkubaciją, makrofaunos individų metabolizmo matavimus ir žymėtų azoto (15N) izotopų taikymą, identifikuojant specifinius mikrobiologinius virsmus (denitrifikaciją, anamoks procesą, nitratų disimiliacinę redukciją iki amonio (DNRA), N2 fiksaciją) paviršinėse nuosėdose ir makrofaunos individuose. Taip pat molekuliniai metodai buvo pritaikyti identifikuojant mikrobų įvairovę (16S rRNR metabarkodavimas) ir kiekybiškai vertinant genų, koduojančių skirtingus azoto mikrobiologinius virsmus, gausumą ir jų aktyvumą paviršinėse dugno nuosėdos bei holobiontuose. Makrofaunos vaidmuo holobionte buvo analizuojamas tik Kuršių marių dominuojančiose funkcinėse grupėse – uodo trūklio lervose (Chironomus plumosus) ir dvigeldžiuose moliuskuose (Dreissena polymorpha). Gauti rezultatai parodė, kad makrofaunos bendrijos, aptinkamos Sacca di Goro lagūnoje, atlieka svarbų vaidmenį reguliuojant N virsmus skirtingose sedimentacinėse aplinkose. Visgi šių bendrijų svarba taip pat priklauso ir nuo vyraujančių aplinkos veiksnių (druskingumo, hidrodinamikos ir maistmedžiagių koncentracijos). Tuo tarpu Kuršių mariose aptinkama makrofaunos bendrija pasižymi mažu aktyvumu rausiant dugno nuosėdas. Tai sąlygoja jos mažą poveikį maistmedžiagių apykaitai bei redukcinių-oksidacinių reakcijų stabilumui deguonies trūkumo sąlygomis. Molekuliniai tyrimai atskleidė, kad C. plumosus sukonstruoti ir ventiliuojami urveliai pasižymi itin didele mikroorganizmų bendrijos įvairove, kuri vykdo N virsmus. Galima teigti, kad urvelio ventiliacija, kurios metu su priedugnio vandeniu patenka deguonis ir nitratai, svarbūs elementai nitrifikacijos ir denitrikacijos procesui, o pasišalina kenksmingi metabolizmo produktai, teigiamai veikia mikroorganizmų įvairovę. Dėl šios priežasties lervų gausiai išraustos dumblo nuosėdos funkcionavo kaip akumuliacinė zona nitratams iš vandens storymės. Tuo tarpu D. polymorpha kolonijos, įprastai aptinkamos smėlio nuosėdų paviršiuje, intensyviai transformavo azoto junginius ir išskyrė juos į aplinką. Svarbiausi N kaupimosi priedugnio vandenyje mechanizmai – moliusko ekskrecija ir mikroorganizmų vykdoma DNRA. Apibendrinant kiekybinę genų gausumo analizę C. plumosus eksperimentuose, matyti, kad tirtų N virsmų genetinis potencialas yra didesnis lervos holobionte nei supančioje aplinkoje. Atsižvelgiant į didelį lervų ir moliuskų gausumą Kuršių mariose, holobionto vaidmuo galėtų būti svarbus reguliuojant N dinamiką šioje eutrofinėje ekosistemoje. Taip pat buvo nustatyta, kad kietašarvės šoniplaukos (Pontogammarus robustoides) atlieka svarbų vaidmenį mažojo maurabragio (Chara contraria) išgyvenamumui Kuršių marių litoralėje. Šios šoniplaukos, palengvina C. contraria augimą, nuėsdamos epifitinius, siūlinius dumblius nuo augalo šakelių, antra – ekskrecijos metu išskirdamos amonį, kuris yra svarbi maistmedžiagė pačiam maurabragiui.
Gli strati superficiali del sedimento sono caratterizzati da gradienti fisici e chimici che regolano le interazioni tra comunità microbiche, macrofauna e produttori primari. Rappresentano quindi siti ideali per lo studio del paradigma ecologico “biodiversità e funzionamento dell’ecosistema”. Il sedimento riceve costantemente carichi di materia organica che stimola i processi biogeochimici . Questi processi sono mediati dalle comunità microbiche e facilitati dall’attività della macrofauna bentonica, e possono determinare una rigenerazione di nutrienti verso la colonna d’acqua e/o assorbimento da parte dei produttori primari bentonici. Le relazioni tra biodiversità e funzionamento dell›ecosistema sono state analizzate a diverse scale spaziali nel comparto bentonico di due lagune eutrofiche poco profonde, la Laguna di Curi (Lituania) e la Sacca di Goro (Italia). Particolare attenzione è stata data al ciclo dell›azoto (N), per il suo ruolo critico nel funzionamento dell›ecosistema acquatico e per la complessità generata dalle varie reazioni ossiche e anossiche svolte da diversi batteri e fortemente influenzate dalla macrofauna e dai produttori primari. Questo studio è stato condotto a diverse scale spaziali e ha incluso studi su ampia scala a livello dell’intera laguna, così come attività sperimentali su singoli individui appartenenti alla macrofauna e microbiomi costituiti da olobionti (microscala). Nelle due lagune il funzionamento del sistema bentonico è stato studiato quantificando i tassi di respirazione e di produzione attraverso misure di scambio di gas e nutrienti disciolti all›interfaccia sedimento-colonna d’acqua. È stato quindi applicato un approccio di tipo statistico per identificare le possibili interazioni tra le specie dominanti (macrofauna) e i flussi netti dei soluti. Questo approccio ha permesso di capire come diversi gruppi funzionali della macrofauna influenzano il ciclo bentonico dell›azoto in diverse macro aree della Sacca di Goro e di identificare i fattori che determinano la rimozione e la rigenerazione dell’azoto e i processi biogeochimici accoppiati (es. ammonificazione e nitrificazione, o nitrificazione e denitrificazione) . Nella Laguna dei Curi è stato utilizzato un simile approccio per verificare il ruolo della macrofauna come tampone naturale contro la rigenerazione e/o il rilascio, redox-dipendente, del fosforo durante eventi di anossia. Altri approcci sperimentali di tipo manipolativo hanno investigato alcuni processi specifici sulla microscala, in sedimenti colonizzati da diversi gruppi funzionali di macrofauna e lungo un gradiente di densità crescente. Tali approcci includono l›incubazione di sedimenti intatti o ricostruiti, misure di metabolismo di singoli individui di macrofauna e l›uso di forme di azoto inorganiche marcate (15N) per misurare i processi batterici (denitrificazione, anammox, ammonificazione di nitrato, fissazione di N) nei sedimenti o nel microbioma della macrofauna. Inoltre, sono stati utilizzati metodi di tipo molecore per analizzare la diversità (16S rRNA metabarcoding) e l’attività microbica 12 (geni marcatori e trascrizioni) negli olobionti. Sono stati presi in considerazione tre organismi abbondanti nella Laguna dei Curi: larve scavatrici di Chironomus plumosus, il bivalve filtratore Dreissena polymorpha e il gammaride fitofago Pontogammarus robustoides. I risultati suggeriscono che nella Sacca di Goro la macrofauna svolge un ruolo importante nella regolazione delle trasformazioni dell’azoto. Tuttavia, la sua importanza dipende anche dai fattori ambientali prevalenti (cioè salinità, idrodinamismo e concentrazioni di nutrienti). Nella Laguna dei Curi la bioturbazione non ha influenzato significativamente le dinamiche dei nutrienti e la stabilità delle reazioni di ossido-riduzione durante gli eventi di anossia. Gli studi molecolari hanno rivelato che le gallerie scavate dai chironomidi sono hot-spot per le attività di comunità microbiche coinvolte nel ciclo dell’azoto e che questi organismi, tramite la bioirrigazione, aumentano significativamente sia la rigenerazione dell’ammonio che la rimozione dell’azoto tramite la denitrificazione. I bivalvi aumentano principalmente la rigenerazione di N nella colonna d’acqua, sia attraverso l’escrezione diretta, sia stimolando la riduzione dissimilatoria di nitrato ad ammonio. Quest’ultimo è probabilmente un effetto dei biodepositi e delle escrezioni solide. Per questi due organismi la quantificazione dei geni funzionali ha mostrato un potenziale significativamente maggiore di denitrificazione microbica, ammonificazione del nitrato e fissazione di N2 nella macrofauna rispetto all’ambiente circostante. Se si tiene in considerazione l’alta densità di chironomidi e bivalvi nelle lagune eutrofiche, i batteri associati a questi organismi possono determinare un sostanziale (e finora trascurato) incremento nei processi di fissazione e rigenerazione di N. Con questo studio è stato anche dimostrato che P. robustoides ha un ruolo importante nella sopravvivenza della macroalga Chara contraria nella Laguna dei Curi. I gammaridi facilitano C. contraria attraverso il pascolo attivo degli epifiti che coprono le macroalghe e attraverso l’escrezione di ammonio, supportando così la crescita delle characee in ambienti eutrofici.