Περιβαλλοντικος ελεγχος της κατανομης των ολικων και ενεργων βακτηριων σε ιζηματα του Θρακικου Πελαγους

Transcript

1 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 363 Περιβαλλοντικος ελεγχος της κατανομης των ολικων και ενεργων βακτηριων σε ιζηματα του Θρακικου Πελαγους Γλυκερία Φραγκιουδάκη, Παρασκευή N. Πολυμενάκου, Αναστάσιος Τσελεπίδης Ελληνικό Κέντρο Θαλασσίων Ερευνών, Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας, Τμήμα Κρήτης, Γούρνες Πεδιάδος, Ταχ. Θυρ. 2214, 71003, Ηράκλειο Περιληψη Το Θρακικό Πέλαγος αποτελεί ενδιαφέρουσα περιοχή μελέτης λόγω τόσο της πολύπλοκης γεωμορφολογίας του όσο και των επιρροών που δέχεται από τις εισροές των ποταμών και της Μαύρης Θάλασσας. Δείγματα ιζημάτων συλλέχθηκαν από 8 σταθμούς της συγκεκριμένης περιοχής με χρήση του πυρηνολήπτη Bowers-Conelly multiple-corer. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη της κατανομής των ολικών και ενεργών βακτηρίων στα ιζήματα σε σχέση με διάφορες περιβαλλοντικές παραμέτρους. Οι παράμετροι που προσδιορίστηκαν ήταν ο οργανικός και ο μαύρος άνθρακας, ο βιοδιαθέσιμος οργανικός άνθρακας, η χλωροφύλλη και οι φαιοφυτίνες σε δείγματα ιζημάτων μέχρι βάθους 12 cm από την επιφάνεια. Επίσης, προσδιορίστηκε το ισοδύναμο των χλωροπλαστικών χρωστικών και η ποσότητα των κ-αλκανίων στα ιζήματα. Όλες οι παράμετροι και ο αριθμός των ολικών και ενεργών βακτηρίων παρουσίασαν μείωση με το βάθος του πυρήνα ενώ τα επίπεδα των ενεργών βακτήριων ήταν κατά πολύ χαμηλότερα από αυτά των ολικών. Παρόλο που η τάση μείωσης όλων των μετρούμενων παραμέτρων σημειώθηκε σε όλους τους σταθμούς, δεν παρατηρήθηκε κάποια στατιστικά σημαντική συσχέτιση της κατανομής των βακτηρίων με τις περιβαλλοντικές παραμέτρους που προσδιορίστηκαν. Λέξεις-Κλειδιά: Βακτήρια; Ιζήματα; Οργανικό υλικό; Θρακικό Πέλαγος Environmental control on the distribution of total and active bacteria in sediments of the Thracian Sea Glykeria Fragioudaki, Paraskevi N. Polymenakou, Anastasios Tselepides Hellenic Center for Marine Research, Institute of Oceanography, Crete Department, Gournes Pediados, P.O.Box 2214, GR-71003, Heraklion, Greece, polymen@her.hcmr.gr Abstract Thracian sea is an area of great interest due to its complicated bottom geomorphology as well as to influences from riverine inputs and the Black Sea waters. Sediment samples were collected from eight different stations using a Bowers and Conelly multiple corer in July The main aim of this study was the investigation of the major environmental factors that control the distribution of total and nucleoid-containing bacteria in such complicated area. The environmental factors determined were organic carbon, black carbon, bioavailable organic carbon, Chl-a, phaeopigments and CPE. The amount of n-alkanes was also determined in the surficial sediments. All the environmental factors including total and nucleoid containing bacteria showed a decreased trend towards the sediment depth and the abundances of nucleoid-containing bacteria were significantly less than the total counts. Following statistical procedures no significant correlation was found between the bacterial distribution and the environmental factors.

2 364 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Εισαγωγh Tο Αιγαίο Πέλαγος συγκεντρώνει το ενδιαφέρον των επιστημόνων και ιδιαίτερα των ωκεανογράφων λόγω των ιδιαίτερων υδρογραφικών και γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών του. Το Θρακικό Πέλαγος αποτελεί τη Βόρειο-ανατολικότερη επέκταση του Αιγαίου Πελάγους και είναι περιοχή η οποία επηρεάζεται: 1) από την εισροή υλικών από τις εκβολές των ποταμών της περιοχής, 2) από θαλάσσιες μάζες που προέρχονται από τη Μαύρη Θάλασσα και εισέρχονται στο Βόρειο Αιγαίο μέσω των στενών των Δαρδανελίων και 3) από την ιδιαίτερη γεωμορφολογία του βυθού που συστήνεται τόσο από βαθιές τάφρους όσο και από επίπεδες λεκάνες (Lykousis et al., 2002). Λόγω αυτών των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών η συγκεκριμένη περιοχή επιλέχθηκε για τη μελέτη της κατανομής των βακτηρίων στα ιζήματα, τα αποτελέσματα της οποίας παρουσιάζονται στην συγκεκριμένη εργασία. Η αφθονία και η κατανομή των βενθικών οργανισμών στα ιζήματα συνδέονται με την ποσότητα και την ποιότητα της τροφής που εισέρχεται στο θαλάσσιο βυθό. Τα βακτήρια παίζουν ένα ρόλο κλειδί στις διαγενετικές διεργασίες που πραγματοποιούνται τόσο στην κολώνα του νερού όσο και στα ιζήματα καθώς και στην ανακύκλωση του οργανικού υλικού στο θαλάσσιο περιβάλλον (Danovaro et al., 2000). Πιο συγκεκριμένα, η κατανομή των βακτηρίων στα θαλάσσια ιζήματα φαίνεται να επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες όπως το είδος των ιζημάτων, τη φυσική διαταραχή τους (π.χ. επαναιώρηση, στροβιλισμός ), τη διαθεσιμότητα του οργανικού υλικού και τη πίεση που ασκείται από τους θηρευτές τους (πρωτόζωα, μειοπανίδα κ.α.) (Danovaro et al., 2001). Παρόλα ταύτα όμως, οι περιβαλλοντικοί παράγοντες που παίζουν τον καθοριστικό ρόλο στην κατανομή των βακτηρίων δεν είναι πλήρως γνωστοί. Ένας σημαντικός λόγος είναι ότι οι περισσότερες έρευνες εστιάζουν κυρίως στη διερεύνηση των φυλογενετικών σχέσεων μεταξύ των βακτηρίων και όχι τόσο στην αναζήτηση μοτίβων και περιορισμών της κατανομής τους (Luna et al., 2004). Σύμφωνα με πρόσφατες εργασίες, οι αφθονίες των βακτηρίων μειώνονται σημαντικά μετά τα πρώτα εκατοστά του ιζήματος (Haglund et al., 2003; Bianchi et al., 2003 ) ενώ ένα μικρό ποσοστό βακτηρίων παραμένει μεταβολικά ενεργό (Haglund et al., 2003). Το συμπέρασμα αυτό ενισχύεται και από τη μελέτη των Zweifel & Hagström (1995). Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη της κάθετης κατανομής των ενεργών και ολικών βακτηρίων σε ιζήματα του Θρακικού Πελάγους και η συσχέτισή τους με μια σειρά περιβαλλοντικών παραμέτρων όπως: ο οργανικός άνθρακας, ο μαύρος άνθρακας, ο βιοδιαθέσιμος οργανικός άνθρακας, η χλωροφύλλη, οι φαιοχρωστικές και η συγκέντρωση των κ-αλκανίων. Υλικa και Μeθοδοι Η δειγματοληψία πραγματοποιήθηκε στην περιοχή του Θρακικού Πελάγους σε ένα δίκτυο 8 σταθμών μεταξύ των νήσων Θάσου, Σαμοθράκης και Λήμνου, τον Ιούλιο του 2004 με το ωκεανογραφικό πλοίο «Αιγαίο» του Ελληνικού Κέντρου Θαλασσίων Ερευνών. Τουλάχιστον δύο πυρήνες ιζήματος συλλέχθηκαν από κάθε σταθμό με χρήση του πολλαπλού πυρηνοδειγματολήπτη Bowers and Conelly multiple-corer. Οι πυρήνες κατόπιν τεμαχίστηκαν εν πλω σε επτά τμήματα που αντιστοιχούσαν στα βάθη 0-1, 1-2, 2-4, 4-6, 6-8, 8-10 και cm από την επιφάνεια του ιζήματος. Ο προσδιορισμός των οξειδοαναγωγικών συνθηκών των ιζημάτων πραγματοποιήθηκε με μέτρηση του οξειδοαναγωγικού δυναμικού (Εh) χρησιμοποιώντας κατάλληλο ηλεκτροδίο. Σε όλες τις περιπτώσεις οι τιμές κυμάνθηκαν μεταξύ mv, υποδεικνύοντας ότι ισχυρές οξικές συνθήκες επικρατούσαν σε όλα τα ιζήματα που συλλέχθηκαν. Τα δείγματα για τις χημικές αναλύσεις καταψύχθηκαν αμέσως στους -20 ο C, ενώ στα δείγματα για τις βιολογικές αναλύσεις προστέθηκε ποσότητα φορμόλης για τη διατήρηση τους και

3 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Αριθμός βακτηρίων *10 8 / ml Συγκέντρωση μg/g dw OC BC BOC Συγκέντρωση μg/g dw Chla Phaeo CPE Σχήμα 1. Αντιπροσωπευτική κάθετη κατανομή των ολικών (με γκρί χρώμα) και ενεργών βακτηρίων (με κόκκινο χρώμα), καθώς και των εξής περιβαλλοντικών παραμέτρων στο σταθμό 14 του Θρακικού Πελάγους: χλωροφύλλη (Chla), φαιοφυτίνες (Phaeo), ισοδύναμο χλωροπλαστικών χρωστικών (CPE), οργανικός άνθρακας (OC), μαύρος άνθρακας (BC) και βιοδιαθέσιμος οργανικός άνθρακας (BOC).

4 366 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας στη συνέχεια φυλάχτηκαν στους 4 ο C. Στα δείγματα πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις οργανικού άνθρακα, μαύρου άνθρακα, χλωροφύλλης, φαιοφυτινών, κ-αλκανίων καθώς και καταμέτρηση των ολικών και ενεργών βακτηρίων.ο οργανικός άνθρακας αναλύθηκε με βάση τη μέθοδο της υγρής οξείδωσης όπως και ο μαύρος άνθρακας με διαφορά ότι τα δείγματα στη δεύτερη περίπτωση επεξεργάστηκαν για 24 h στους 375 ο C (Gustafsson et al., 1997). Ο βιοδιαθέσιμος οργανικός άνθρακας υπολογίστηκε ως η διαφορά του μαύρου άνθρακα από τον οργανικό. Η εκχύλιση της χλωροφύλλης πραγματοποιήθηκε σε διάλυμα ακετόνης 90% και η συγκέντρωσή της προσδιορίστηκε σε φθοροσιμόμετρο τύπου Turner TD-700. Με την ίδια μέθοδο έγινε ο προσδιορισμός των φαιοφυτινών, μετά από επεξεργασία των δειγμάτων με HCl 0.1 Ν. Το ισοδύναμο των χλωροπλαστικών χρωστικών (CPE) υπολογίστηκε ως το άθροισμα των συγκεντρώσεων της χλωροφύλλης και των φαιοφυτινών. Ο προσδιορισμός των κ-αλκανίων έγινε με τη μέθοδο της αέριας χρωματογραφίας με ανιχνευτή μάζας (GC/MS). Για τον υπολογισμό της αφθονίας των ολικών και ενεργών βακτηρίων, πραγματοποιήθηκε η διαδικασία της χρώσης με DAPI, φιλτράρισμα σε μαύρα πολυκαρβονικά φίλτρα, και στη συνέχεια καταμέτρηση των βακτηρίων σε μικροσκόπιο φθορισμού. Για τον προσδιορισμό των ενεργών βακτηρίων προστέθηκε ένα επιπλέον στάδιο επεξεργασίας των δειγμάτων με ζεστή ισοπροπανόλη. Αποτελeσματα και Συζhτηση Ο αριθμός των ολικών και ενεργών βακτηρίων μειωνόταν ξεκάθαρα με το βάθος των ιζημάτων σε όλες τις περιπτώσεις καθώς οι αφθονίες των ενεργών βακτηρίων παρουσιάζονταν σημαντικά χαμηλότερες από τα ολικά βακτήρια. Το συγκεκριμένο αποτέλεσμα συμφωνεί και με πρόσφατη εργασία που πραγματοποιήθηκε από τους Haglund και συνεργάτες (2003). Η ίδια τάση μείωσης με το βάθος των ιζημάτων παρατηρήθηκε και με τις μετρούμενες περιβαλλοντικές παραμέτρους (Σχημα 1). Η ποσότητα του οργανικού άνθρακα ήταν κατά πολύ υψηλότερη από την αντίστοιχη ποσότητα μαύρου άνθρακα σε όλα τα δείγματα με αποτέλεσμα να υπάρχει σε κάθε περίπτωση σημαντική ποσότητα βιοδιαθέσιμου οργανικού άνθρακα για τους βενθικούς οργανισμούς. Πιο συγκεκριμένα, ο μέγιστος αριθμός ολικών βακτηρίων παρατηρήθηκε στο επιφανειακό στρώμα του σταθμού 33 (0-1 cm, 1.2 Χ 10 9 cells/ml ιζήματος) και ο ελάχιστος σε ένα βαθύτερο στρώμα του σταθμού 42Α (8-10 cm, 4.8 Χ 10 7 cells/ml). Οι τιμές αυτές παρουσιάζονται σε χαμηλότερα επίπεδα από τις αντίστοιχες σε ιζήματα από το Ιόνιο Πέλαγος και τη Θάλασσα της Λεβαντίνης (Boetius et al., 1996) αλλά είναι παρόμοιες με τις αντίστοιχες τιμές των Bianchi et al. (2003) για την περιοχή του Βόρειου Αιγαίου. Οι συγκεντρώσεις των ενεργών βακτηρίων κυμάνθηκαν μεταξύ 4.3 Χ 10 7 cells/ml στον σταθμό 26 (0-1 cm) και 5.4 Χ 10 8 cells/ml στον σταθμό 33 (0-1cm). Η υψηλότερη συγκέντρωση οργανικού άνθρακα προσδιορίστηκε στο σταθμό 26 (1-2 cm, 12,512 μg/g ξηρής μάζας ιζήματος) και η χαμηλότερη συγκέντρωση στον σταθμό 14 (10-12 cm, 2,654 μg/g ξηρής μάζας ιζήματος). Οι αντίστοιχες τιμές για το μαύρο άνθρακα ήταν 4,753 μg/g στο σταθμό 18 (0-1 cm) και 490 μg/g στον σταθμό 14 (6-8 cm). Οι συγκεντρώσεις της χλωροφύλλης και των φαιοφυτινών παρουσίασαν τη μέγιστη τιμή στους σταθμούς 8 (0-1 cm, 3,7 μg/g) και 18 (0-1 cm, 4,7 μg/g) αντίστοιχα. Οι ελάχιστες τιμές και για τις δύο παραμέτρους παρατηρήθηκαν στον σταθμό 29Α (10-12 cm, 0,03 μg/g και 0,16 μg/g αντίστοιχα), πιθανότατα λόγω του ότι ο σταθμός 29Α ήταν ο βαθύτερος. Το ισοδύναμο των χλωροπλαστικών χρωστικών έχει μέγιστη τιμή στο σταθμό 42Α (0-1 cm, 5,8 μg/g) και ελάχιστη στον σταθμό 29Α (10-12 cm, 0,19 μg/g). Οι συγκεντρώσεις των κ-αλκανίων προσδιορίστηκαν μόνο στο επιφανειακό ίζημα των σταθμών, με μέγιστη τιμή στο σταθμό 18 (3,416 ng/g dw) και ελάχιστη τιμή στο σταθμό 8 (1,482 ng/g dw). Η

5 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 367 ποσότητα των κ-αλκανίων που προέρχονται από τη χέρσο είναι σε όλους τους σταθμούς υψηλότερη από την συγκέντρωση των κ-αλκανίων θαλάσσιας προέλευσης, γεγονός που υποδεικνύει την έντονη επιρροή των εισροών των ποταμών και υλικού από την Μαύρη Θάλασσα στην περιοχή (Lykousis et al., 2002). Η στατιστική ανάλυση BIOENV (PRIMER 5.0) στα αποτελέσματα δεν έδειξε κάποια σημαντική συσχέτιση της κατανομής των βακτηρίων με τις περιβαλλοντικές παραμέτρους που αναλύθηκαν. Η αδυναμία αυτή πιθανότατα οφείλεται στην έντονη γεωλογική δραστηριότητα που γενικά χαρακτηρίζει την περιοχή (Lykousis et al., 1995). Ευχαριστiες Η παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε με την υποστήριξη του προγράμματος ANREC (EU - DG XII, QLRT ) και του Υπουργείου Ανάπτυξης (Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας). Η βοήθεια των αξιωματικών και του πληρώματος του ωκεανογραφικού πλοίου «Αιγαίο» στη διάρκεια της αποστολής ήταν πολύ σημαντική. Βιβλιογραφiα BIANCHI A., THOLOSAN O.,GARCIN J.,POLYCHRONAKI T.,TSELEPIDES A.,BUSCAIL Duineveld g., 2003.Microbial activities at the benthic boundary layer in the Aegean Sea. Progress in Oceanography, 57: Boetius A., Scheibe S., Tselepides A., Thiel H., Microbial biomass and activities in deep-sea sediments of the eastern Mediterranean: trenches are benthic hotspots, Deep- Sea Research I, 43 ( 9) : Danovaro R., Armeni M., Dell Anno A., Fabiano M., Manini E., Marrale D., Pusceddu A., Vanucci S., Small- scale distribution of bacteria, enzymatic activities and organic matter in coastal sediments. Microbial Ecology, 42: Gustafsson, Φ., Haghseta, F., Chan, C., Mac- Farlane, J., & Gschwend, P.M., Quantification of the dilute sedimentary soot phase: implications of PAH speciation and bioavailability. Environmental Science and Technology, 31: Haglund A-L., Lantz P., Tφrnblom E., Tranvik L.,2003. Depth distribution of active bacteria and bacterial activity in lake sediment, FEMS Microbial Ecology, 46: Lykousis, V., Anagnostou, C., Pavlakis, P., Rousakis, G., Alexandri, M., Quaternary sedimentary history and neotectonic evolution of the eastern part of Central Aegean Sea, Greece. Marine Geology 128: Lykousis V., Chronis G., Tselepides A., Price N., Theocharis A., Siokou-Frangou I., Van Wambeke F., Danovaro R., Stavrakakis S., Duineveld G., Georgopoulos D., Ignatiades L., Souvermezoglou A., Voutsinou-Taliadouri F., Major outputs of the recent multidisciplinary biogeochemical researches undertaken in the Aegean sea, Journal of Marine Systems, 33-34: Luna G., Dell Anno A., Giuliano L., Danovaro R., Bacterial diversity in deep Mediterranean sediments: relationship with the active bacterial fraction and substrate availability. Environmental Microbiology, 6 (7): Zweifel U., Hagstrφm Ε., 1995.Total counts of marine bacteria include a large fraction of non-nucleoid containing bacteria (ghosts). Applied and Environmental Microbiology, 6.: