Nitrogen Fixation

2.1 Stikstoffixatie

Stikstoffixatie (zie ook hoofdstuk 4 van Carpenter en Capone, dit deel), het proces waarbij bepaalde prokaryoten atmosferisch N2-gas kunnen reduceren tot ammonium via de nitrogenase enzymroutes, wordt al lang beschouwd als een belangrijke spil van de stikstofcyclus en productiviteit in koraalrifsystemen (D’Elia en Wiebe, 1999; Larkum et al, 1988 Fig. 21.1A). De eerste directe demonstratie van het belang van stikstoffixatie in rifmilieus door cyanobacteriën (oorspronkelijk verondersteld door Odum en Odum, 1955), was in het Symbios-project (Crossland en Barnes, 1976; Hanson en Gundersen, 1977; Wiebe et al., 1975). Stikstoffixatie is vervolgens zelfs voorgesteld als “een prominente component van de stikstofcyclus op koraalriffen die de N-beperking kan verlichten en een mondiaal significante bijdrage kan leveren aan de totale mariene N-input” (Capone, 1996a).

In veel studies sinds de jaren zeventig zijn hoge percentages stikstoffixatie gevonden (zie ook hoofdstuk 4 Capone en Carpenter, dit deel). Er is zelfs melding gemaakt van stikstoffixatie op koraalriffen met een snelheid die soms hoger ligt dan die van intensieve peulgewassen (Szmant, 2002; Webb et al., 1975). Dit energetisch veeleisende proces in cyanobacteriën wordt gevoed door de hoge lichtflux en gerecycleerde fosfor. Heterotrofe diazotrofe activiteit wordt ondersteund door een combinatie van gerecycled P en organisch materiaal (D’Elia, 1988).

Naast de stikstoffixatie die samenhangt met de extensieve sedimenten in en rond rifplaten (Capone et al., 1992; Corredor en Morrell, 1985; O’Neil en Capone, 1989; Wilkinson et al., 1984; Mayajima et al., 2001; Hewson en Fuhrman, 2006; Werner et al, 2008), is stikstoffixatieactiviteit waargenomen bij levende koralen (Williams et al., 1987; Lesser et al., 2007) en koraalskeletten (Crossland and Barnes, 1976; Larkum, 1988; Shashar et al., 1994a,b; Davey et al., 2008) alsook bij epifyten op macroalgen (Capone et al., 1977; France et al., 1998; O’Neil and Capone, 1996) en door cyanobacteriële matten. Er is ook stikstofase-activiteit gemeten op kalkstenen rifoppervlakken (Charpy-Roubaud et al., 2001), waaronder blootgestelde delen van de atolrand van verschillende soorten, die grotendeels is toe te schrijven aan cyanobacteriën. In de lagune van Tikehau, Frans-Polynesië, bijvoorbeeld, was de stikstoffixatie op deze oppervlakken goed voor 25-28% van de totale stikstofbehoefte voor bentische primaire productiviteit (Charpy-Roubaud et al., 2001; Charpy-Roubaud and Larkum, 2005). De stikstoffixatiesnelheden in sedimenten, hoewel lager dan de snelheden in gelokaliseerde gebieden of in koraalmatten van cyanobacteriën (Iizumi et al., 1990; Charpy et al., 2000; Bauer et al., 2008), kunnen, wanneer geïntegreerd over de grote oppervlakte van sedimentaire milieus, een significante bijdrage leveren aan de totale stikstofeconomie van koraalriffen (Capone, 1996a; Capone et al., 1992; O’Neil and Capone, 1989). De lage δ15N-kenmerken die in rifmacrofyten en koraalweefsel zijn waargenomen, leveren verder bewijs dat een groot deel van de stikstof in rifsystemen afkomstig is van stikstoffixatie (France et al., 1998; Yamamuro et al., 1995). Stikstoffixatie kan ook voorkomen in de lagune van koraalatollen en kan bijdragen tot de stikstofeconomie in deze systemen.

Stikstoffixatie komt ook voor in de lagunewateren van koraalriffen en ook dit kan bijdragen tot de stikstofeconomie van deze systemen. Biegala en Raimbault (2008) rapporteerden onlangs over de relatief hoge dichtheden van diazotrofe coccoïde cyanobacteriën in koraallagunewateren van Nieuw-Caledonië.

De stikstoffixatiesnelheden in rifmilieus zijn variabel en kunnen worden beïnvloed door de aanwezigheid van grazers. Het grazen door Acanther plancii, de doornhaai, op koralen resulteerde in hoge stikstofbindingspercentages op de koraalskeletten na de uitbraak van deze zeester (Larkum, 1988). Evenzo werd aangetoond dat de zee-egel Diadema antillarum de stikstoffixatie aanzienlijk verhoogt wanneer hij graast op “algengras” in rifomgevingen, in vergelijking met gebieden waar geen zee-egels aanwezig waren. Het “kleine”, dicht opeengepakte “algengras” bevatte een aanzienlijk aandeel cyanobacteriën naast benthische diatomeeën en dinoflagellaten (Williams en Carpenter, 1997). Grazers helpen ook bij de stikstofcyclus door het uitscheiden van stikstofhoudende afvalstoffen die de algengroei bevorderen, terwijl ze tegelijkertijd de algengroei in stand houden (Williams en Carpenter, 1997, zie verder). Het grazen van vissen kan ook een belangrijke rol spelen bij het in stand houden van de stikstoffixatie op riffen, door andere benthische algen in toom te houden. Sommige diazotrofe cyanobacteriën zijn minder smakelijk dan andere algen, omdat ze vaak chemische afschrikmiddelen bevatten, en zijn ook vaak minder compleet qua voedingswaarde, omdat ze bepaalde essentiële vetzuren missen, zodat macroalgen vaak de voorkeur genieten van grazers (Capper et al., 2005; O’Neil, 1999). Daarom hebben cyanobacteriën wellicht minder concurrentie voor groeiruimte en breiden ze zich uit in gebieden waar de meer smakelijke soorten door grazers zijn verwijderd (Wilkinson en Sammarco, 1983).

Een groot deel van de totale benthische stikstoffixatie op wereldschaal kan afkomstig zijn van ondiepe koraalrifmilieus (Capone, 1983). Hoewel de pelagische stikstoffixatiecijfers gestaag zijn verfijnd door onderzoek van de filamenteuze cyanobacterie Trichodesmium (Capone et al., 2005), nieuwe geochemische benaderingen (Mahaffey, 2005) en de toenemende erkenning van andere belangrijke bijdragen zoals eencellige stikstoffixeerders (Montoya et al., 2004), blijft de stikstoffixatie in koraalrifmilieus echter onderbemonsterd en waarschijnlijk onderschat. Stikstoffixatie door benthische of symbiotische cyanobacteriën (Charpy et al., 2007; Lesser et al., 2007; Bauer et al., 2008; Davey et al, 2008) en heterotrofe bacteriën, met inbegrip van de epifytische bacteriën op macroalgen en koraaloppervlakken (Davey et al., 2008), moeten nog volledig worden opgehelderd (Koop et al., 2001; O’Neil and Capone, 1989, 1996; Hewson et al., 2007; Werner et al., 2008). Het is mogelijk dat de diazotrofe gemeenschap verandert als gevolg van de eutrofiëring van de kust. Stikstoffixatie kan ofwel afnemen als gevolg van stikstofbelasting, ofwel toenemen als reactie op de inbreng van beperkende factoren zoals fosfor of micronutriënten zoals Fe, dalingen in de N:P-laadratio’s, of als gevolg van organische belasting en stimulering van heterotrofe N2-fixatie direct door de levering van organische substraten of indirect door de toename van lokale anoxische zones.

Black band disease (BBD), die wordt veroorzaakt door een consortium van cyanobacteriën en microben, kan diazotroof zijn (Frias-Lopez et al, 2002, 2003). Deze hypothese werd onlangs gesuggereerd door een moleculaire studie van bacteriële gemeenschappen die geassocieerd zijn met BBD, waarbij een 16sRNA-sequentie werd gevonden die 97% homoloog is met de stikstoffixerende pelagische cyanobacterie Trichodesmium tenue. Dit bracht de auteurs ertoe te speculeren dat stikstoffixatie wellicht plaatsvindt in de zuurstofarme microzones van het BBD-assemblage (Frias-Lopez et al., 2002). Er is meer werk nodig om deze hypothese op een rigoureuze manier te testen, aangezien latere werkzaamheden aan geïsoleerde Phormidium corallyticum (voorheen Oscillatoria corallinae) van koralen in Florida met BBD negatief testten op stikstoffixatie (acetyleenreductie) (Richardson en Kuta, 2003).

Invertebrate diazotrofe symbiose is gemeld uit rifsystemen, waaronder rifsponzen die stikstofbinding verkrijgen via geassocieerde cyanobacteriën (Wilkinson en Fay, 1979). Symbiotische cyanobacteriën en bacteriën worden aangetroffen in bijna alle mariene sponzen (Mohamed et al., 2006; Thacker, 2005) en kunnen mutualistische associaties vormen met gastheren, vooral als de symbiont vaste C of N levert. De cyanobacterie Oscillatoria spongieliae is aangetroffen in verschillende soorten sponzen, waaronder de rifspons Dysidea herbacea op het Great Barrier Reef (GBR) (Flowers et al., 1998; Ridley et al., 2005). Synechococcus is ook beschreven bij verschillende soorten sponzen, die genetisch verschillen van vrij levende planktonische soorten Synechococcus (Thacker, 2005). In sommige gevallen worden stofwisselingsproducten (b.v. gefixeerde koolstof) van de symbiont naar de gastheer getranslokeerd (Arillo et al., 1993). In de meeste gevallen is de relatie tussen gastheer en symbiont echter niet goed gedefinieerd (Ridley et al., 2005).

De mogelijke translocatie van N van stikstoffixeerders naar gastheren is ook onderzocht. Stikstofase-activiteit werd naar verluidt geassocieerd met een intacte Procholoron-Ascidian-associatie (Lissoclinum sp.) (Paerl, 1984), hoewel de activiteit niet direct kon worden gedetecteerd door de geïsoleerde symbiont (Odintsov, 1991). Vervolgens werd vastgesteld dat ten minste een deel van de cellulaire N (direct of indirect) afkomstig was van N2-fixatie, op basis van de lage isotopenverhouding van 15N/14N in Lissoclinum sp. associaties (Kline en Lewin, 1999). Diazotrofen zijn ook aangetroffen in associaties met koralen (Frias-Lopez et al., 2002; Rohwer et al., 2001, 2002; Shashar et al., 1994a,b), waarbij stikstoffixatie is gemeten in sommige levende koralen (Shashar et al., 1994a,b; Williams et al., 1987). Meer recent is ook de aanwezigheid van een diazotrofe coccoïde cyanobacterie gerapporteerd in de weefsels van bepaalde soorten van het koraal Montastrea (Lesser et al., 2004). Interessant is verder dat door middel van δ N-analyses is aangetoond dat de zooxanthellae van Caraïbische kolonies van Montastraea cavernosa die de endosymbiotische cyanobacteria bevatten, N verkrijgen van de stikstofbindende cyanobacteria en niet van de koraalgastheer (Lesser et al., 2007).