Een tijdmachine voor onderzoek van bodembacteriën

De eilanden in de Waddenzee groeien voortdurend, en op het nieuwe land verschijnt in de loop van de tijd reeks aan plantensoorten. Deze successie van soorten is uitgebreid beschreven door biologen. Maar welke bacteriesoorten er leven in het maagdelijke zand en de steeds rijkere bodems die ontstaan tijdens de ecologische successie was niet bekend. Francisco Dini-Andreote heeft dit gat in onze kennis gevuld. Hij ontving op 9 september zijn doctorstitel cum laude.

De oostelijke kant van Schiermonnikoog is een maagdelijk zoutmoeras. Aan de meest oostelijke punt van het eiland stijgen zandafzettingen langzaam boven de vloedlijn uit, en voegen zo nieuw land toe. Dit proces verloopt zo al eeuwenlang. Dus wanneer je van oost naar west langs de kustlijn wandelt reis je als het ware door de tijd. ‘Dit systeem is al uitgebreid bestudeerd door ecologen, we weten er inmiddels al heel veel over’, zegt Dini-Andreote.

De opvolging van planten en andere zichtbare soorten is beschreven en verklaard. Maar letterlijk aan de onderkant van het voedselweb in dit zoutmoeras bevinden zich bodembacteriën en schimmels. Hun rol in de ecologische successie in het moeras is nog niet onderzocht. Dus reisde Dini-Andreote tijdens het eerste jaar van zijn promotieonderzoek regelmatig naar Schiermonnikoog, waar hij bodemmonsters nam langs de kustlijn om de fysisch-chemische en microbiologische samenstelling te analyseren.

Tijdreeks

‘Mijn monsters kwamen van locaties die eerder door RUG-onderzoekers zijn bestudeerd, en die een natuurlijke tijdreeks vormen van nieuw land tot 105 jaar oud zoutmoeras.’ Hij nam monsters van vijf ‘tijdpunten’ in deze reeks, en deed dat vier keer in één jaar. De rest van zijn promotieonderzoek bracht hij grotendeels door in het lab en achter zijn computer, waar hij de resultaten analyseerde.

Een eerst bevinding is dat de jongste monsters, die bestaan uit kaal zand, de hoogste diversiteit in bacteriesoorten bevatten. ‘Onze verklaring is dat dit komt omdat de vloed hier nog een of twee keer per dag overheen stroomt en zo bacteriesoorten uit zee aandraagt. De golven bereiken de oudere locaties alleen in de winter.’ Het dagelijkse getij deponeert nieuwe bacteriesoorten op het nieuwe land, die het daar meestal maar een korte tijd uithouden. ‘Soorten komen en gaan nogal snel. Dat lijkt een algemene regel: een snelle opeenvolging van soorten zorgt voor een hoge biodiversiteit.’

Langs de tijdreeks neemt het zoutgehalte van de bodem toe met de leeftijd. Zeewater zet zout af dat aan de klei blijft plakken. De concentratie neemt daardoor toe van ongeveer 3 naar ruim 12 procent. ‘Dit beperkt het type bacteriesoorten dat er kan leven.’ Dat vertaalt zich, het is geen verrassing, in een toename van genen die bacteriën zouttolerant maken langs de kust.

Oorlogsvoering

In de monsters uit de jongste bodem zitten relatief veel bacteriën met zweepstaarten, die naar hun eten toe kunnen zwemmen. ‘Het is er erg nat en de omstandigheden veranderen snel. Dan is het een groot voordeel wanneer je achter je voedsel aan kunt jagen, of wegvluchten voor aanvallers.’ Veel bacteriën in deze monsters zijn bovendien ‘autotroof’, ze kunnen zelf koolstof uit de lucht halen. ‘Daarmee voegen ze een belangrijke hoeveelheid koolstof toe aan de bodem, wat weer door andere organismen is te gebruiken. We zagen bijvoorbeeld dat planten graag groeien op bacterie-matten in deze jonge bodems.’

In de oudere, stabielere bodems zijn de bacteriën minder mobiel. ‘In plaats daarvan zijn ze druk bezig elkaar te bestrijden via chemische oorlogsvoering. Ze produceren antibiotica en ontwikkelen mechanismen om zich daar tegen te verdedigen.’ Ook zijn er steeds minder autotrofe soorten in oudere bodems. De bacteriën zijn bovendien steeds meer aangepast om verschillende voedselbronnen te benutten, waaronder complexere koolwaterstoffen zoals lignine, een stof die planten produceren.

Door de successie van bacteriën en schimmels te beschrijven heeft Dini-Andreote een nieuwe dimensie toegevoegd aan ons begrip van de voedselketen in zoutmoerassen. Zijn begeleider, Joana Falcao Salles, legt uit dat dit de basis is voor verder onderzoek. ‘Francisco heeft de basale kaart gemaakt die de microbiële successie beschrijft. Nu gaan anderen hier op voortbouwen, door bijvoorbeeld de interactie tussen planten, bodembacteriën en insecten te beschrijven, of te onderzoeken hoe verschillende microbiële functies ontstaan tijdens het proces van successie.’

De resultaten van dit soort onderzoek kunnen de bescherming van zoutmoerassen ten goede komen. Falcao Salles: ‘Sommige gebieden staan bloot aan een hoge toevoer van meststoffen. Dit zorgt er voor dat de planten boven de grond sterk groeien, maar vaak blijft de groei van het wortelsysteem dan achter. Dit maakt de planten kwetsbaar, ze kunnen plotseling verdwijnen en dan houd je een kale modderplaat over. Ons onderzoek zou vroege signalen van deze problemen kunnen opleveren, en strategieën die helpen het verdwijnen van de planten te voorkomen.

Francisco Dini-Andreote, thesis: Microbial community assembly in an evolving ecosystem, verdedigd op 9 september 2016