Marmara Denizi Sedimentlerinde Anoksik Azot Döngüsü

Abstract

Akuatik ekosistemlerde nitrojen giderimi çok ilgi görmektedir, çünkü yeraltı sularında ve yüzey sularında aşırı nitrat artan bir sorun olmaya başlamıştır. Çevredeki mikrobiyal aktivitelerin sonucu olarak nitrat, denitrifikasyon ve oksijensiz amonyak oksidasyon prosesleri ile N2 gazı şeklinde giderilir ya da disimilatif nitrat indirgenmesi ile NH4+ ‘a dönüştürülür ve bu şekilde sistemde kalır veya biyokütle bünyesine geçer. Denizsel azot çevrimindeki bu prosesler ne kadar önemlidir? Bu cevaplanması zor bir sorudur, çünkü bu proseslerin denizsel azot çevrimine katkıları detaylı olarak son zamanlarda incelenmeye başlamıştır. Marmara Denizinde bulunan sedimentlerde tipik seviyelerin üstünde bulunan nitrat seviyesi ve kronik hidrokarbon konsantrasyonu, bu bölgeyi azot döngüsü proseslerinin araştırılması için gayet uygun bir ortam haline getirmiştir. Bu çalışmada, Marmara Denizi’nde kirliliğin en yoğun olduğu bölgelerden 2 sene boyunca yüzey sediment numuneleri alınmıştır. Anoksik nitrojen döngü prosesinde rol alan organizmaların (belirli bir bakteri grubuna ait olmadıklarından dolayı), sorumlu oldukları proseslere özgü spesifik genler hedeflenerek, Gerçek Zamanlı Polimeraz Zincir Reaksiyonu methoduyla miktar tayini yapılmıştır. Bu çalışma kapsamında olmayan diğer sediment karakteristikleri Tubitak Projesinden alınmış ve koralizasyon analizinde hedef genlere hangi parametlerin etkilediğini belirmek amacıyla kullanılmıştır. Sonuçlar, anoksik mikrobiyal komuniteyi hedefleyen genlerin miktarı ve nitrat konsantrasyonu arasında güçlü bir bağ olduğunu göstermiştir. Disimilatif nitrat indirgenmesi prosesine spesifik olan nrfA geni, her bölgede en fazla oranda bulunurken(%5-30), amonyum oksidasyonunundan sorumlu hzoA geni en düşük oranda(%2-5) gözlenmiştir. Nitrat konsantrasyonunun en yoğun olduğu Tuzla ve Moda sedimentlerinde tüm hedef genler en yüksek oranlarda bulunurken, en düşük konsantrasyonlara Haliç sedimentlerinde rastlanmıştır. Denitrifikasyonu ve disimilatif nitrat indirgenmesinin görüldüğü durumlar benzer olsa da disimilatif nitrat indirgemesi, karbonun fazla ve nitratın az bulunduğu ortamlarda teşvik edilir. Bunun nedeni disimilatif nitrate indirgeyicilerin karbon kaynaklarını daha verimli şekilde kullanımlarından kaynaklanmaktadır. (Kelso, 1997, Silver 2001). Bizim bu çalışmada vardığımız sonuçlar, deniz ortamlarında bu prosesler hakkında edinilen daha önceki bilgilerle ötrüşmektedir. Marmara Denizi sedimentlerinin yüksek karbon içeriğine sahip olması disimilatif nitrat indirgenmesi prosesinden sorumlu organizmaların bu ortamda baskın hale gelmesine yol açmış olabilir. Bu organizmalar doğal ortamlarında situmule edilerek, hidrokarbon kirliliğinin giderilebilmesini amacıyla kullanılabilirler.

Removal of nitrogen (N) in aquatic ecosystems gets great interest because excessive nitrate in groundwater and surface water becomes a growing problem. As a result of microbial activity in the environment, nitrate is either removed as N2 gas by respiratory denitrification (RD) and anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) or converted, via dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA), to biologically available NH4+ which is retained within the ecosystem. Assimilatory nitrate reduction (ANR) also results in preservation of NO3--N in the system as a cell material. How important are these pathways in marine N cycling? This is a particularly difficult question to answer, because relative contribution of these processes to marine N cycling is just beginning to be studied in detail. Marmara Sea is a perfect candidate for investigation of these N cycling pathways, since the sediments have been extremely polluted with hydrocarbons and contained abnormally high concentrations of nitrate. Therefore, in this study, relative importance of the N cycle processes in Marmara Sea Sediments (MSS) were monitored in terms of quantity of the relevant bacterial groups by targeting the catabolic genes using quantitative real-time PCR (Q-PCR). The surface sediment samples (15 cm below the sediment surface) were taken from the most polluted areas in the Marmara Sea. Sediments The results obtained in this study were correlated with other sediment properties which were previously characterized as a part of TUBITAK Project no 105Y307. The results demonstrated that anoxic microbial abundance was strongly related to the level of nitrate concentrations. Target genes were mainly dominant in Tuzla and Moda region where nitrate concentrations were high. Relative abundances of NrfA (targeting DNRA), nosZ (targeting RD) and hzoA (targeting ANAMMOX) were in the ranges of 5-30%, 5-15% and 2-5%. Although the conditions promoting fermentative DNRA and RD are similar (in terms of available nitrate, and organic substrates), fermentative DNRA is thought to be favored in nitrate-limited environments rich in labile carbon, while RD would be favored under carbon-limited conditions (Kelso, 1997; Silver, 2001). Our results were in agreement with these previous findings. Since dissimilative nitrate reducing community was very abundant (in the range of 5.40x108 and 3,83x1010cells/cm3) and very efficiently use organic compounds as a carbon source, bioremediation strategy can be possible aiming to stimulate rate of hydrocarbons degradation under nitrate reducing conditions.