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Nitrifier and denitrifier molecular operational taxonomic unit compositions from sites of a freshwater estuary of Chesapeake Bay

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Abstract:

Temporal and spatial changes in the molecular operational taxonomic unit (OTU) compositions of bacteria harboring genes for nitrification and denitrification were assessed using denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), clone-based DNA sequencing of selected PCR products, and analyses of ammonium and organic matter concentrations. Sediment, overlying water, and pore-water samples were taken from different vegetated sites of Jug Bay National Estuarine Research Reserve, Maryland, during spring, summer, and fall 2006. OTU richness and the diversities of nitrifiers and denitrifiers were assessed by the presence of bands on DGGE gels, both ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and nitrite-oxidizing bacteria (NOB) were seasonally dependent. AOB OTU richness was highest in the summer when NOB richness was decreased, whereas NOB richness was highest in the spring when AOB richness was decreased. The OTU diversities of nitrifiers did not correlate with ammonium concentrations, organic matter concentrations, or the presence of vegetation. The OTU diversities of denitrifiers possessing either the nirK or nosZ genes were not seasonally dependent but were positively correlated with organic matter content (p = 0.0015, r2 = 0.27; p < 0.0001, r2 = 0.39, respectively). Additionally, the presence of vegetation significantly enhanced nosZ species richness (Wilcoxon/Kruskal-Wallis test, p < 0.008), but this trend was not seen for nirK OTU richness. Banding patterns for nirK OTUs were more similar within sites for each season compared with any of the other genes. Over all seasons, nirK OTU richness was highest and AOB and nosZ OTU richness were lowest (Wilcoxon/Kruskal-Wallis test, p < 0.0001). High levels of sequence divergence among cloned nirK PCR products indicate a broad diversity of nirK homologs in this freshwater estuary.

Les changements spatio-temporels de la composition des unités taxonomiques opérationnelles (UTO) de bactéries possédant des gènes de nitrification et de dénitrification ont été évalués par électrophorèse en gradient dénaturant (DGGE), par séquençage d’ADN de produits de PCR sélectionnés et clonés, et par des analyses de la concentration d’ammonium et de matières organiques. Des échantillons de sédiments, d’eau surjacente et d’eau interstitielle ont été recueillis à différents sites végétalisés de la Jug Bay National Estuarine Research Reserve, MD, au printemps, à l’été et à l’automne 2006. La richesse des UTO et la diversité des bactéries nitrifiantes et dénitrifiantes ont été évaluées par la présence de bandes en DGGE, les bactéries oxydant l’ammoniac (BOA) et oxydant le nitrite (BON) étant saisonnières. La richesse des UTO des BOA était plus élevée à l’été, quand la richesse des BON diminuait, alors que la richesse des BON était plus élevée au printemps, quand la richesse des BOA diminuait. La diversité des UTO des organismes nitrifiants n’était pas corrélée avec les concentrations d’ammonium ou de matières organiques, ou avec la présence de végétation. La diversité des UTO des organismes dénitrifiants possédant soit le gène nirK ou le gène nosZ n’était pas saisonnière, mais elle était corrélée positivement avec le contenu en matières organiques (p = 0.0015, r2 = 0.27; p < 0.0001, r2 = 0.39, respectivement). De plus, la présence de végétation augmentait significativement la richesse en espèces possédant le gène nosZ (test Wilcoxon/Kruskal-Wallis, p < 0.008) mais cette tendance n’était pas observée pour UTO possédant nirK. Les patrons de bandes des UTO possédant nirK étaient davantage semblables à l’intérieur d’un même site au cours des saisons comparativement aux autres gènes. Au cours des saisons, la richesse des UTO possédant nirK était la plus élevée alors que la richesse des BOA et des UTO possédant nosZ était la plus faible (test Wilcoxon/Kruskal-Wallis, p < 0.0001). Un haut niveau de divergence des séquences des produits PCR de nirK clonés indique qu’il existe une grande diversité d’homologues de nirK dans cet estuaire d’eau douce.

Document Type: Research Article

Publication date: March 1, 2009

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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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