Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/11513
Title: BIOGEOCHEMICAL CYCLE OF ORGANIC MATTER IN COASTAL MARINE ENVIRONMENT: THE ROLE OF VIRUSES IN CONTROLLING BACTERIAL PROLIFERATION
Authors: KARUZA, ANA
Issue Date: 20-Apr-2006
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Il principale obiettivo della ricerca è stato quello di acquisire le conoscenze relative al ruolo del virioplancton nelle catene trofiche e nei flussi biogeochimici. La prima parte dello studio è stata dedicata alla distribuzione spazio-temporale del virioplankton nella parte più settentrionale del Mare Adriatico. In una stazione costiera del Golfo di Trieste sono stati effettuati dei campionamenti a frequenza bisettimanale/mensile a diverse quote lungo la colonna d'acqua, per implementare la serie temporale dei dati storici di abbondanza virale disponibili presso il Laboratorio di Biologia Marina relativi ad un monitoraggio iniziato nel 1998 nella stessa stazione. L'acquisizione della serie storica del virioplancton è stata necessaria per poter definire lo stato di 'normalità' del sistema relativo a questa componente allo scopo di poter rilevare eventuali 'alterazioni, tra le quali anche la formazione di aggregati mucillaginosi che, con intensità particolarmente forte sporadicamente interessa il bacino, con gravi conseguenze sul turismo ed attività di pesca. L'analisi della distribuzione del virioplancton su un reticolo spaziale più ampio, effettuata durante 3 campagne oceanografiche stagionali nel 2004 nel bacino adriatico settentrionale, in collaborazione con il progetto Interreg Veneto, ha consentito di valutare l'effetto della presenza di forti gradienti chimico-fisici determinati dall'input del fiume Po, sulla componente virale e sul funzionamento del circuito microbico. In questo studio, il bacino settentrionale dell'Adriatico, con le sue caratteristiche geografiche ed idrologiche ha giocato da ottimo laboratorio naturale, in cui l'introduzione di una forzante ha fortemente condizionato la distribuzione delle componenti microbiche ed la loro interazione, per cui si è confermato molto adatto agli studi 'causa-effetto'. I risultati ottenuti hanno evidenziato come le informazioni ottenute da queste diverse strategie di campionamento non si sovrappongono, ma si implementano, consentendo di acquisire nuove conoscenze relative al funzionamento del circuito microbico nell'Adriatico settentrionale, ed in particolare sulle interazioni tra i virus ed i loro ospiti più comuni. L'uso dei principali indici utilizzati in ecologia microbica per valutare il rapporto tra i virus ed i loro ospiti quali il VBR (Virus-to-Bacterium Ratio) ed il VBP (Virus-to- Bacterium Product), ha messo in evidenza una alterazione delle interazioni virus-batteri nel periodo di comparsa delle mucillagini (primavera-estate 2000) che ha confermato come una spinta lisi virale abbia condizionato lo sviluppo delle poche specie batteriche presenti. Sperimentalmente, invece, è stata valutata l'entità del processo di lisi virale che oltre a determinare mortalità batterica influenza in modo significativo il flusso di carbonio all'interno del sistema pelagico e condiziona il trasferimento di energia lungo la rete alimentare. Per valutare quanto l'azione virale sia condizionata dal metabolismo della cellula ospite, sono stati allestiti esperimenti in cui il popolamento batterico era sostenuto da una disponibilità di substrato diversa sia per composizione che per peso molecolare. Esperimenti in mesocosmo hanno permesso, inoltre, di valutare il ruolo dei virus in condizioni di diversa disponibilità di fosforo inorganico. Questo sale nutritivo rappresenta, infatti un fattore limitante per i popolamenti planctonici dell'Adriatico. I risultati ottenuti, confortati da quelli provenienti dall'analisi in campo che ha confermato come l'abbondanza dei virus in mare rimanga relativamente costante nel tempo hanno sottolineato la necessità di valutare quanto il processo di produzione di una nuova progenie virale sia bilanciato dal processo di distruzione o danneggiamento provocato da fattori come gli U.V., ecc. Poiché non esiste ancora un metodo standardizzato per valutare la produzione virale è stato allestito un esperimento per confrontare i 3 protocolli disponibili. Il primo protocollo prevede la stima della produzione virale attraverso l'incorporazione diretta di un tracciante radioattivo nell'acido nucleico dei virus prodotti e quindi rilasciati, durante il periodo d'incubazione. Il secondo protocollo si basa sulla produzione di virus da parte di cellule batteriche infette a priori,mentre il terzo protocollo stima la produzione virale attraverso la stima della mortalità batterica con il metodo delle diluizioni seriali. Questo quadro sperimentale ha consentito, da un lato, di ottenere una stima della mortalità batterica e, più specificatamente, di quella della frazione metabolicamente più attiva, e dall'altro di valutare l'entità dei processi di produzione virale in diverse condizioni ambientali. Le tecniche di biologia molecolare quali PCR (Polymerase Chain Reaction) e DOGE (Denaturant Gradient Gel Electrophoresis) sono state utilizzate per la verifica dell'influenza dei virus sulla struttura della comunità batterica.
The main goal of the present study was to extend the knowledge relatively to the role of virioplankton in microbial food webs and biogeochemical fluxes. The first section of the study describes spatial and temporal virioplankton distribution in the Northern Adriatic Sea. Samplings were carried in a coastal station of the Gulf of Trieste at different depths. In the first period samplings were carried out on a monthly basis and were subsequently intensified to a twice a month sampling frequency. The obtained data implemented the time series of virioplankton abundances present in data base of Marine Biology Laboratory (Trieste), which were monitored from 1998 at the same sampling station. The obtaining of the time series was necessary to define the 'normality' state of the system regarding viral component of marine plankton in order to detect eventual 'alterations', such as mucilage formation, known to sporadically interest in its particularly massive form the northern basin of the Adriatic Sea, seriously affecting turism and fishery. The analysis of spatial virioplankton distribution on extended sampling area, conducted over 3 seasonal oceanographic cruises during 2004 in the Northern Adriatic basin, in collaboration with Veneto Interreg Project, provided the opportunity to explore the functioning of 'microbial circuit' and significance of viruses under contrasting environmental conditions, since the Northern Adriatic Sea displays highly evident trophic gradient due to the Po River inflow. In fact, the study area played a role of natural laboratory since the introduction of hydrological parameters strongly affected the distribution of microbial components and their interactions, highlighting the adaptability of the basin in 'cause-effect' studies. The results obtained by spatial sampling strategy did not overlap with those obtained by long-term temporal study in a coastal station of the Northern Adriatic, but extended the information amount: different methodological strategies allowed us to acquire precious findings regarding viral population's dynamics, since viral interaction with their hosts is particularly difficult to define because of the variety of interaction types. The investigation of most common viral ecology indexes, largely used to evaluate virus-host interaction, such as VBR (Virus-to-Bacterium Ratio) and phage-host density product ( analogically named VBP from Virus-to-Bacterium Product ), evidenced the alteration of virus and bacteria interactions before, during and after mucilage formation relatively to spring-summer period of 2000. The obtained results evidenced the presence of particularly enhanced viral lysis that strongly affected bacterial community, which, moreover, in that period was characterized by low species diversity. The experimental approach allowed the evaluation of the entity of viral lysis, which not only provoke bacterial mortality but also strongly affects carbon flux in the pelagic system and influences the energy transfer in the food web. Several experiments were performed in order to evaluate the depending of viral activity upon host cell metabolism and organic substrate availability of microbial community. Moreover, mesocosm experiments allowed evaluating the role of viruses in the presence of different availability of inorganic phosphorous, particularly important since representing the limiting factor for plankton community in the Adriatic Sea. The results obtained both by field studies and experimental approach confirmed the temporal stability of virioplankton abundance in marine system and highlighted the need of informations relatively to virioplankton balance between its production and decay rates. Since there is no standard method for the estimate of viral production, three different experimental protocols were set up in order to compare the accuracy of the obtained results and to establish the usefulness of a single technique. The first technique provides an estimate of virus production rates by radiotracer incorporation method that measures production of DNA-containing viral progeny over incubation period. Another method provides the rates of virus production of the bacteria infected prior to the beginning of the experiment, while the serial dilution technique designed originally for the estimate of grazing activity was adopted and modified to determine virus production in natural phage-host assemblage. This experimental framework, together with the experiment set up to evaluate virus-mediated mortality of different bacterial groups ( distinguished according to their metabolism), provided new findings relatively to viral impact on bacterioplankton and allowed the estimate of viral production in different environmental conditions. Molecular biology techniques, such as PCR (Polymerase Chain Reaction) e DGGE (Denaturant Gradient Gel Electrophoresis) were used to verify the influence of virus-mediated mortality on the bacterial community structure.
Description: 2003/2004
URI: http://thesis2.sba.units.it/store/handle/item/13296
http://hdl.handle.net/10077/11513
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