Study of the Ecological Role of Viruses and Bacteria in Aquatic Ecosystems

Mgr. Hana Slováčková, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Viry představují aktivní složku mikrobiálních společenstev a potravních řetězců ve vodním prostředí. V průběhu posledních dvou desetiletí bylo zjištěno, že viry přispívají k mortalitě mikrobiálních společenstev, přenosu genetických informací, změnám druhového složení hostitelských společenstev, redukci produktivity systému a také že viry významně ovlivňují koloběh živin ve vodních systémech. Tyto poznatky se týkají především pelagických společenstev virů v mořských a sladkovodních lentických systémech, zatímco některé aspekty ekologie virů v sedimentech a v lotických systémech zůstávají doposud neprostudovány. Tato disertační práce se tedy zaměřila na ekologii virů v řekách, dynamiku virů v sedimentech a zjištění, do jaké míry ovlivňují viry ve sladkovodních ekosystémech mortalitu planktonních společenstev mikroorganismů. Tato práce poskytla nové informace o dynamice virů v říčních sytémech ve vztahu k biotickým a abiotickým parametrům. Pozorované vzájemné korelace mezi viry, heterotrofními bakteriemi, fytoplanktonem a koncentrací fosforečnanů ve dvou sledovaných řekách naznačují, že abundance a dynamika virů může být do značné míry ovlivněna právě těmito parametry. Výsledky ukázaly, že viry jsou početnou a dynamickou složkou pelagických společenstev v říčních systémech a poukázaly na komplexnost vztahů mezi viry a jejich hostiteli, související s obsahem fosforečnanů. Další část disertační práce byla zaměřena na hodnocení sezónních změn abundance virů v sedimentech eutrofní nádrže s ohledem na sezónní trendy virů ve vodním sloupci. Sezónní průběh změn abundance virů a bakterií v sedimentech vzájemně neodpovídal změnám ve vodním sloupci. Abundance virů v sedimentech nevykazovala žádný sezónní trend, avšak byly pozorovány změny abundancí mezi dvěma obdobími, odpovídajícími přibližně období jednoho roku. Podobné dlouhodobé změny byly pozorovány i u koncentrací bakterií jak v sedimentech, tak ve vodním sloupci. Ukázalo se, že vzájemný vztah mezi viry a bakteriemi se může měnit v jednotlivých vrstvách vodního sloupce, i když nedochází ke změnám abundancí virů či bakterií. Paralelní stanovení vlivu virové lyze a spásání mikrozooplanktonem na mortalitu různých planktonních společenstev (zahrnujících heterotrofní bakterie, vláknité a jednobuněčné sinice a eukaryotické řasy) ukázalo, že viry a spásání jsou odpovědné za značnou mortalitu různých planktonních mikroorganismů v různých ročních obdobích. Viry byly identifikovány jako hlavní příčina mortality bakterií a vláknitých sinic během zimního období, zatímco spásání mělo významný vliv na mortalitu bakterií a jednobuněčných sinic především na jaře.

Abstract:

Viruses represent an active component of aquatic communities and microbial food webs in aquatic environments. In last two decades, viruses have been recognized to contribute to the mortality of microbial communities, a genetic information transfer, changes in species composition of the host communities, a reduction of productivity of the system, and they also have a significant impact on a nutrient cycling in aquatic systems. These findings particularly concern pelagic viruses in marine and freshwater lentic systems, whereas some aspects of viral ecology in sediments and lotic systems remain still unknown. This thesis focused on the viral ecology in rivers, dynamics of viruses in sediments, and the investigation to what extent viruses affect a mortality of planktonic microbial communities in freshwater ecosystems. This work provided novel information on the viral dynamics and its relation to biotic and abiotic parameters in the riverine systems. Strong cross-correlations among viruses, heterotrophic bacteria, phytoplankton, and phosphates concentration revealed in the two rivers suggest that abundance and dynamics of viruses may be influenced by these parameters to a large extent. The results showed viruses as abundant and dynamic component of pelagic communities in the rivers and pointed out a complex relationship between viruses and their hosts in connection with phosphate concentration. Further part of the thesis focused on the evaluation of the seasonal changes in viral abundance in sediments of a eutrophic reservoir with regard to seasonal trends of viruses in water column. The patterns of benthic viral and bacterial abundance did not correspond with the pelagic patterns. Viral abundance in the sediments did not exhibit any seasonal patterns but substantial changes in abundance were observed between the two study periods, each roughly corresponding with a one-year period. Similar long-term changes were also observed for bacterial densities both in sediments and water column. The relationship between viruses and bacteria was shown to vary according to a specific water layer of water column although no changes in the abundances were observed along the vertical profile. The simultaneous estimation of the impact of viral lysis and microzooplankton grazing on mortality of various planktonic communities (including heterotrophic bacteria, filamentous and unicellular cyanobacteria, and eukaryotic algae) revealed that these two mortality factors accounted for a significant mortality of different planktonic microorganisms in different seasons. Viruses were identified to cause most mortality of bacteria and filamentous cyanobacteria in the winter experiments whereas grazing had the impact especially on mortality of bacteria and unicellular cyanobacteria in the spring.

Keywords

Viruses, bacteria, phytoplankton, grazing, inorganic nutrients, sediments, temporal and spatial variations

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 4. 2008

Thesis defence

• Date of defence: 5. 5. 2008
• Supervisor: prof. Ing. Blahoslav Maršálek, CSc.
• Reader: doc. RNDr. Martin Rulík, Ph.D., RNDr. Petr Marvan, CSc., doc. RNDr. Jaroslav Vrba, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Environmental Chemistry