Vuilstort perkolaat in de ondergrond - plek van complexe en dynamische eukaryotische gemeenschappen

Transcriptie

1 Vuilstort perkolaat in de ondergrond - plek van complexe en dynamische eukaryotische gemeenschappen Samenvatting Onderzoek naar de natuurlijke afzwakking van vervuiling in grondwater heeft zich voornamelijk bezig gehouden met de aanwezigheid en de vermogens van prokaryotische microorganismen om de hoeveelheid en giftigheid van de verontreinigingen te reduceren. Het voorkomen en de mogelijke rol van eukaryoten in de afbraak van vervuiling heeft tot nu toe weinig aandacht gekregen. Dit proefschrift legt de nadruk op de aanwezigheid van eukaryoten in een vervuilde, waterhoudende grondlaag stroomafwaarts van een vuilnisstortplaats (Banisveld, Nederland) en bespreekt hun mogelijke bijdrage aan de natuurlijke afzwakking van verontreiniging. De structuur van microeukaryotische gemeenschappen in sedimenten en grondwater van deze waterhoudende grondlaag werd bestudeerd in relatie tot de structuur van bacteriële gemeenschappen en omgevingsfactoren, in het bijzonder de aanwezigheid van vuilstort perkolaat. Hoofdstuk 1 geeft een introductie van dit proefschrift. De achtergrond van het belang van grondwater wordt gepresenteerd, samen met de dreigingen van grondwatervervuiling, waarbij vuilnisstortplaatsen met name aandacht krijgen, en de mogelijke natuurlijke afzwakking van verontreinigingen in de ondergrond. Dit hoofdstuk bevat ook een korte beschrijving van de onderzoekslocatie en de gebruikte methodes. De structuur van eukaryotische gemeenschappen die aan het sediment verbonden zijn, werd bestudeerd met behulp van cultuuronafhankelijke methodes in Hoofdstuk 2, en in relatie gebracht met de bacteriële gemeenschap en de heterogeniteit in milieufactoren. Eukaryoten werden in de gehele water-verzadigde grondlaag aangetroffen; hun verscheidenheid was hoog en de structuur van de gemeenschap complex. De structuur van de gemeenschap van eukaryoten leek geen relatie te hebben met de diepte in de waterige grondlaag of de afstand 155

2 tot de vuilnisstortplaats. De verscheidenheid in eukaryotisch 18S rrna genen nam af met de diepte waarop monsters werden genomen, en was significant lager in vervuilde monsters dan in schone monsters. De eukaryotische en bacteriële gemeenschaps profielen lijken meer op elkaar in monsters van vervuilde sedimenten dan in schone monsters. De bacteriële gemeenschaps profielen, verkregen in oppervlakte monsters clusteren samen, en zijn duidelijk verschillend van die uit sediment-monsters genomen onder het oppervlak. De profielen van bacteriën onder het grondoppervlak clusteren locatie afhankelijk. Er werd geen significante autocorrelatie gevonden van bacteriële of eukaryotische gemeenschappen in sedimenten over 1 meter diepte intervals per monsterlocatie. Dit suggereert dat monstername mogelijk zou moeten worden uitgevoerd op een kleinere schaal dan 1 meter, wanneer het doel is de microbiële gemeenschappen in heterogene ondergrond zoals die bij de Banisveld stort volledig te karakteriseren. Ruimtelijke heterogeniteit in microbiële gemeenschappen in sediment werd waargenomen en leek veel groter dan die voorheen waargenomen in grondwater. Ruimtelijke heterogeniteit kan het interpreteren van de structuur en het functioneren van microbiële gemeenschappen bemoeilijken, maar levert daarentegen ook betere mogelijkheden op tot natuurlijke afzwakking. Tijdens hun transport met de grondwaterstroom zullen de vervuiling uit vuilnisstortplaatsen meer typen microorganismen in een heterogene omgeving tegenkomen, en zo een grotere kans hebben afgebroken te worden vergeleken met meer homogene plaatsen. Omdat de algemene methode van fingerprinting (op 18S rrna gen gebaseerde Denaturing Gradient Gel Electroforesis) zoals gebruikt in Hoofdstuk 2 geen informatie verschaft welke typen organismen aanwezig zijn, werden in Hoofdstuk 3 cultuur onafhankelijke fylogenetische analyses van 18S rrna fragmenten en cultures toegepast op zes sedimentmonsters, die behoorden tot dezelfde set die gebruikt was in Hoofdstuk 2. Een diverse microeukaryotische gemeenschap werd waargenomen voor vijf sedimentmonsters die verkregen waren op een diepte van 3 tot 5 meter over een transect (21 tot 68 meter) in een neerwaartse gradiënt vanaf de vuilnisstortplaats, en van een referentielokatie die niet vervuild was. De microeukaryotische gemeenschap bestond uit heterotrofe nanoflagellaten, gistachtige schimmels en groene algen. Schimmelsequenties, vooral behorende tot 156

3 de gisten van de Basidiomycota, overheersten de meeste kloonbanken. Sequenties die het meest leken op die behorende tot Ascomycota, Chytridiomycota en Zygomycota werden ook aangetroffen. Groene algen (Chlorophyta) werden aangetroffen in vervuilde locaties dicht bij (<30 meter) de vuilnisstortplaats, en aangenomen werd dat zij in de waterige grondlaag waren geïntroduceerd door infiltratie van regenwater of ander oppervlakte water, daar beschreven is dat dit type van groene algen niet in staat zou zijn te groeien in de afwezigheid van licht. De bacterieetende nanoflagellaat Heteromita globosa (Cercozoa) werd aangetroffen in aërobe en anaërobe verrijkingscultures, en zijn sequenties domineerden de kloonbank die was verkregen van de vervuilde ondergrond op een diepte van 5 meter en op 21 meter afstand van de vuilnisstortplaats. De aanwezigheid en activiteit van deze bacterieetende protisten kunnen van groot belang zijn bij het biologisch herstel van vervuilde milieus door de predatie op bacteriën en de daarmee samenhangende recycling van beperkende voedingsstoffen. Het aantal kweekbare eukaryoten varieerde van 10 2 tot 10 3 cellen/gram sediment, terwijl cultuur onafhankelijke kwantificering wat hogere aantallen opleverde. Er werd geen grondwater mesofauna aangetroffen; de afwezigheid van grotere stygobiontische invertebraten was zeer waarschijnlijk een gevolg van de fijne korrel-structuur van de sedimenten, gebrek aan zuurstof en de aanwezigheid van vervuiling. Het voedselweb in de vervuilde waterige grondlaag van Banisveld is eenvoudig; de voedselketens zijn kort en bestaan uit prokaryoten en schimmels als afbrekers van organisch meteriaal en protozoa als eerste consumenten van prokaryoten en top predators in dit grondwater ecosysteem. Terwijl in Hoofdstuk 2 grote ruimtelijke heterogeniteit aanwezig scheen in de karakteristieken van sedimenten en aanverwante microbiele gemeenschappen, werden in Hoofdstuk 4 de ruimtelijke en tijdelijke heterogeniteit en dynamiek in microbiële gemeenschappen bestudeerd in grondwatermonsters, met als doel er achter te komen of de variatie van bacteriële en eukaryotische gemeenschappen in tijd en ruimte afhing van hydrochemische veranderingen over tijd en ruimte. Het centrum van de vervuilingspluim was hydrochemisch vrij stabiel in de tijd; vergelijkbare niveaus van vervuiling werden aangetroffen in het interval De bovenrand van de pluim van vervuiling bleek 157

4 naar het oppervlak te zijn opgeschoven, in het bijzonder op afstanden groter dan 48 meter van de vuilnisstortplaats. Complexe en heterogene bacteriële en eukaryotische gemeenschappen werden waargenomen, op basis van DGGE van 16S en 18S rrna genfragmenten. Over de periode 1998 tot 2004 werden grote fluctuaties in de eukaryotische gemeenschappen in zowel vervuild als schoon grondwater. De profielen van bacteriën van vervuilde monsters leken meer op elkaar dan die in schoon grondwater in 1998 en 1999, maar in 2004 niet meer. In tegenstelling tot de profielen van de eukaryoten leken de profielen van de bacteriën in vervuild grondwater in 1998 meer op elkaar dan die verkregen waren van vervuilde monsters uit 1999 en De variatie in de tijd van bacteriële en eukaryotische gemeenschappen was groter dan de ruimtelijke variatie in alle bemonsterde locaties in de ondergrond. Vervuiling door de vuilnisstortplaats leek een relatief kleinere bijdrage te hebben op de verspreiding van microbiële gemeenschappen in de waterige grondlaag, in vergelijking met fluctuaties in de tijd en de heterogeniteit in hun gemeenschapsstructuur en milieu-condities. De aanwezigheid van protisten (bv Heteromita globosa) was duidelijk in de vervuilde ondergrond bij Banisveld (Hoofdstuk 3), en zou protozoa zouden mogelijk een rol kunnen hebben in biologische herstel. Hoofdstuk 5 van dit proefschrift laat de gecombineerde invloed van predatie door een andere bacterie-etende flagellaat (Ochromonas sp. DS), en het type nutriënt limitatie, zien. Wiskundige modeling, vervolgens experimenteel bevestigd, toonde aan dat predatie door deze flagellaat koolstof mineralisatie kan vergroten en tot hogere algehele activiteit (activiteit per eenheid monster) kan leiden onder stikstoflimiterende omstandigheden. Onder koolstof-limiterende omstandigheden heeft predatie een negatieve invloed op de afbraak van organisch materiaal vergeleken met de situatie waarin er geen predatie was. De in dit hoofdstuk verkregen informatie kan belangrijk zijn voor de afbraak van organische vervuiling in oligotrofe ecosystemen (b.v. de waterverzadigde ondergrond), waar voedingstoffen zoals stikstof of fosfor in het algemeen snel uitgeput raken. Door hun predatie op bacteriën kunnen protozoa beperkende voedingsstoffen recyclen en indirect biologische afbraak van vervuilende stoffen stimuleren. 158

5 In Hoofdstuk 6 van dit proefschrift is een synthese van de resultaten in de onderzoekshoofdstukken 2 tot en met 5 gemaakt. De grondwateromgeving van Banisveld heeft de dreiging met vervuiling uit de vuilnisstortplaat meer dan 40 jaar ervaren. Dit ecosysteem lijkt veerkrachtig te zijn in relatie tot deze vervuiling. De veerkracht van het ecosysteem wordt hier beschouwd als het vermogen van ecosystemen om om te gaan met de dreiging van vervuiling en terug te keren naar een functionele staat die gelijk is aan die van voor de verstoring. De vervuilde ondergrond te Banisveld bezit het vermogen om vervuilingen biologisch af te breken. De grote heterogeniteit in de karakteristieken van sediment en microbiële gemeenschapsstructuren kan gunstig zijn voor natuurlijke afzwakking. Afbrekende micro-organismen (bacteriën en schimmels) zijn aanwezig en in staat organische materialen af te breken. Predatie van bacteriën door protozoa en daarop volgende recycling van beperkende voedingstoffen zijn factoren die de biologische afbraak van vervuilingen in de waterige grondlaag mogelijk vergroten. Echter, verscheidene ecologische aspecten maken dit grondwater ecosysteem kwetsbaar voor vervuiling. Grondwater ecosystemen zijn meestal oligotroof met gemeenschappen die weinig of helemaal niet zijn aangepast aan grote fluctuaties in milieuomstandigheden in hun habitat. Omdat de voedselnetwerken in grondwater in het algemeen eenvoudig zijn met korte voedselketens, kan een grote organische belasting zoals die bij de Banisveld vuilstort leiden tot een verstoord ecosysteem met instabiele gemeenschappen. 159

6 160