Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Bodem microbiële processen zijn gevoelig aan verhoogde concentraties zware metalen, waaronder zink (Zn). Toevoegen van Zn2+ zouten aan onverontreinigde bodems in het labo veroorzaakt toxische effecten bij microbiële processen, vaak al bij Zn concentraties die binnen de range van natuurlijke achtergrondwaarden liggen. Het is daarom absoluut noodzakelijk om kritische zinkconcentraties te bepalen waarbij het bodem ecosysteem permanente schade ondervindt. Maar in langdurig verontreinigde bodems worden er dikwijls pas toxische effecten gevonden bij zinkconcentraties die veel hoger zijn dan de toxische concentraties uit labotesten. In dit onderzoek wordt het verschil in Zn toxiciteit bij de nitrificatie in labo of langdurig gecontamineerde bodems bestudeerd. De hypothese is dat dit verschil te wijten is aan een verschillende biobeschikbaarheid van Zn in beide systemen, en aan microbiële adaptatie. Langdurig Zn verontreinigde bodems werden bemonsterd in weiland nabij een gegalvaniseerde elektriciteitspyloon in Zeveren (Gent). De onderliggende bodem werd aangerijkt met Zn door corrosie van de pyloon, en de concentraties stegen van 1 mmol Zn kg-1 in ongecontamineerde bodem tot 25 mmol Zn kg-1 in de meest gecontamineerde bodem onder de pyloon. De potentiële nitrificatiesnelheid (PNS) in deze bodems was niet beïnvloed door de verhoogde Zn concentraties, maar het toevoegen van Zn2+ zout aan de ongecontamineerde bodem tot gelijke totale Zn concentraties veroorzaakte toxische effecten bij de PNS vanaf 1.8 mmol Zn kg-1. Het verschil in PNS tussen labo en langdurig gecontamineerde bodems wordt deels veroorzaakt door een verschillende Zn concentratie in poriewater. Zink tolerantie van de nitrificerende gemeenschap in langdurig verontreinigde bodem werd aangetoond door i) een lagere gevoeligheid van deze gemeenschap aan toegevoegd Zn dan de nitrificerende gemeenschap uit ongecontamineerde bodem na inoculatie van deze gemeenschappen in steriele, Zn verontreinigde bodem en doordat ii) de PNS van deze gemeenschap niet wijzigde na extra ZnCl2 toevoeging, terwijl de PNS van de gemeenschap uit ongecontamineerde bodem met 70% werd gereduceerd bij identieke Zn concentraties in oplossing. Bovendien werd met Denaturerende Gradiënt Gel Elektroforese (DGGE) aangetoond dat de structuur van de nitrificerende gemeenschap in de langdurig verontreinigde bodems veranderde met toenemende Zn concentraties. Er werd dus aangetoond dat de nitrificerende gemeenschap tolerant werd aan Zn door de langdurige blootstelling aan verhoogde Zn concentraties, en dat dit gepaard ging met een wijziging van de gemeenschapsstructuur. De afwezigheid van Zn toxiciteit in langdurig verontreinigde bodems werd deels verklaard door de verlaagde Zn concentraties in poriewater. Dit suggereert dat Zn biobeschikbaarheid gerelateerd is met de vrije Zn2+ concentratie (of Zn2+ activiteit) in oplossing. Deze hypothese werd getest door de effecten van pH en ionische samenstelling op Zn toxiciteit te vergelijken in een reeks labo verontreinigde bodems en in bodemloze culturen van Nitrosospira sp. NpAV. De Zn concentratie in oplossing waarbij de PNS werd gereduceerd met 20% (ZnEC20) varieerde 150-voudig in bodem en 50-voudig in de bodemloze culturen. Bovendien steeg de ZnEC20 met toenemende H+, Ca2+ en Mg2+ concentraties in oplossing, wat een beschermend effect van deze kationen tegenover Zn toxiciteit suggereert. Zink speciatie werd bepaald in de bodems en de bodemloze culturen, en de vrije Zn2+ activiteit (Zn2+)EC20 bij de ZnEC20 werd gemodelleerd met een Biotisch Ligand Model (BLM) en een Freundlich-type model. Beide modellen houden rekening met de competitie van kationen voor de binding aan biotische liganden. De (Zn2+)EC20 in bodem en bodemloze culturen werd voorspeld door één set parameters voor elk model. Beide modellen waren geschikt voor de modellering en voorspelden de geobserveerde (Zn2+)EC20 binnen een factor 4. Deze resultaten suggereren dat de nitrificerende gemeenschap in bodem blootgesteld is aan Zn via het vrije Zn2+ ion in oplossing. Eerder toonden we aan dat Zn tolerantie geïnduceerd werd door de langdurige blootstelling van de nitrificerende gemeenschap aan verhoogde Zn concentraties, maar het proces van adaptatie aan verhoogde Zn concentraties kon echter niet bepaald worden. Daarom werden bodems, gecontamineerd met toenemende ZnSO4 concentraties, bemonsterd op verschillende tijdstippen in een veldexperiment in Spalding (Australië): binnen een week na toediening van de Zn zouten, en na 1, 2 en 3 jaar. Onmiddellijk na toedienen van de Zn zouten aan de bodem was de Zn concentratie waarop de PNS gereduceerd werd met 50% (ZnEC50) 15.5 mmol Zn kg-1, of 2.7 mM Zn in een 0.01 M CaCl2 bodem extract. Deze waarden stegen tot 39.5 mmol Zn kg-1 en 9.3 mM in een 0.01 M CaCl2 bodem extract na 2 jaar. Dit suggereert dat de nitrificerende gemeenschap in de Zn verontreinigde bodems adapteerde aan de verhoogde Zn concentraties binnen 2 jaar na Zn verontreiniging. Deze hypothese werd getest door de nitrificerende gemeenschap uit het ongecontamineerde bodemstaal en deze uit een Zn gecontamineerd bodemstaal (28.3 mmol toegevoegd Zn kg-1) van de verschillende staalnames bloot te stellen aan toenemende Zn concentraties in oplossing. Er werd duidelijk aangetoond dat het herstel van de PNS na 2 jaar gepaard ging met een verlaagde gevoeligheid van de nitrificerende gemeenschap in het Zn verontreinigd bodemstaal aan toenemende Zn concentraties. Het analyseren van de structuur van de nitrificerende gemeenschap met DGGE toonde een veranderde structuur en een afnemende diversiteit in de Zn verontreinigde bodemstalen in vergelijking met het ongecontamineerde staal. Er werd besloten dat het herstel van de PNS gepaard ging met Zn tolerantie, maar dat het niet gekoppeld was met een herstel van de diversiteit van de nitrificerende gemeenschap. De structuur van de nitrificerende gemeenschap veranderde met toenemende Zn concentraties in de langdurig gecontamineerde bodems uit het Zeveren transect, en de gemeenschap werd meer tolerant aan Zn. Het is echter onduidelijk of deze structurele wijziging en Zn tolerantie de gevoeligheid van het nitrificatie proces aan andere stress factoren beïnvloeden. Deze hypothese werd getest door de ongecontamineerde bodem en 4 langdurig gecontamineerde bodemstalen met toenemende Zn concentraties (4-24 mmol Zn kg-1) en dus ook toenemende Zn tolerantie, bloot te stellen aan additionele stressfactoren (een toxisch pesticide, vries-dooi cycli of droog-nat cycli). De ‘weerstand’ van de nitrificerende gemeenschap aan de extra stress factoren werd bepaald door de PNS te meten onmiddellijk na blootstelling, en het herstelvermogen werd bepaald door de PNS te meten na 3 weken incubatie (‘veerkracht’). De resultaten toonden aan dat zowel de ‘weerstand’ als de ‘veerkracht’ van de nitrificerende gemeenschap aan de extra stress factoren niet werden aangetast door de langdurige blootstelling aan de verhoogde Zn concentraties. We toonden aan dat de nitrificerende gemeenschap in langdurig Zn verontreinigde bodems zich aanpaste aan de verhoogde Zn concentraties. Dit uitte zich in een verlaagde gevoeligheid aan Zn en een gewijzigde gemeenschapsstructuur. Bovendien werd er aangetoond dat nitrificerende microorganismen in de bodem blootgesteld werden aan Zn via vrije Zn2+ ionen in oplossing. De combinatie van een verlaagde biobeschikbare Zn concentratie en een aanpassing van de nitrificerende gemeenschap aan verhoogde Zn concentraties is verantwoordelijk voor de afwezigheid van Zn toxiciteit in langdurig Zn verontreinigde bodems. Dit heeft echter geen gevolgen voor de gevoeligheid van het nitrificatie proces aan extra stress factoren. Soil microbial processes are sensitive to elevated trace metal concentrations such as zinc (Zn). Soils that are amended with Zn2+ salts in the laboratory reveal toxic effects at total soil Zn concentrations that are within the range of naturally occurring background Zn concentrations. These toxic effects are usually not identified in long-term Zn contaminated soil samples, even at total Zn concentrations that are several times larger than thresholds found in laboratory amended samples. The goal of this study is to identify the discrepancy of Zn toxicity to soil microbial processes between freshly amended soils and long-term contaminated soil samples. It is speculated that the discrepancy is related to differences in Zn bioavailability and to microbial adaptation. Long-term Zn contaminated soil was sampled near a galvanized electricity transmission tower in Zeveren (Belgium). Corrosion of the tower enriched the underlying soil with Zn, and total Zn concentrations increased from 1 mmol Zn kg-1 in uncontaminated soil to 25 mmol Zn kg-1 in the most contaminated soil under the tower. The Potential Nitrification Rate (PNR) in these soil samples was unaffected by the elevated Zn concentrations, whereas ZnCl2 spiking of the uncontaminated soil to similar total Zn concentrations reduced the PNR significantly at 1.8 mmol Zn kg-1. The PNR in Zn spiked and long-term contaminated soil samples was partly explained by different Zn concentrations in the pore water. Zinc tolerance of the ammonia oxidizing bacteria (AOB) community in long-term contaminated soil was demonstrated by showing that i) the community was less sensitive to Zn than the AOB community of uncontaminated soil when they were inoculated in sterile ZnCl2 spiked soil and ii) the PNR of the community was less affected by further ZnCl2 additions whereas the PNR of the AOB community of uncontaminated soil was reduced by more than 70% at equivalent soluble Zn concentrations. Furthermore, DGGE fingerprinting showed that the AOB community structure in long-term contaminated soil changed with increasing Zn concentrations compared to the AOB community of uncontaminated soil. This field survey illustrated a so-called Pollution Induced Community Tolerance (PICT) which was associated with a change in community structure. Different Zn concentrations in pore water between long-term and freshly spiked soil at similar total Zn concentrations partly explained the different PNR in both systems with increasing total Zn concentrations. This suggests that Zn bioavailability is related to the Zn concentration (or Zn2+ activity) in pore water. The hypothesis that soil solution Zn is the exposure pathway for soil micro-organisms was tested by comparing the effects of pH and ionic composition to Zn toxicity between a range of soils and soil-less solutions of Nitrosospira sp. NpAV. The Zn concentration at which the nitrification was reduced by 20% (ZnEC20) varied 150-fold between soils and 50-fold between soil-less solutions, and decreased with increasing H+, Ca2+ and Mg2+ concentrations in both systems, suggesting protective effects of these cations against Zn toxicity. Zn speciation was determined, and the Zn2+ activities at the ZnEC20 ((Zn2+)EC20) in both systems were modelled using a Biotic Ligand Model and a Freundlich-type model. Both models take into account cation competition for Zn toxicity. The (Zn2+)EC20 of soil and soil-less solutions were predicted using a single set of parameters per model. Both models performed equally well, and observed (Zn2+)EC20 were predicted within a factor 4. These results suggest that nitrifying organisms are exposed to Zn through the free Zn2+ ion in solution. The field survey showed that long-term exposure of the nitrifying community to elevated Zn concentrations increased its Zn tolerance. No information was obtained about the adaptation rate of the AOB community. Therefore, soils with increasing ZnSO4 amendments were sampled in a field trial in Spalding (Australia) within one week after metal addition and after 1, 2 and 3 years. Initially, the PNR was reduced by 50% (ZnEC50) at 15.5 mmol Zn kg-1 or at 2.7 mM Zn in a 0.01 M CaCl2 soil extract. The ZnEC50 increased to 39.5 mmol Zn kg-1 and 9.3 mM Zn after two years incubation in the field, suggesting Zn tolerance of the AOB community within 2 years after Zn spiking. This hypothesis was tested by adding different amounts of ZnCl2 to suspensions of uncontaminated and Zn contaminated (28.3 mmol added Zn kg-1) soil of the different sampling periods (i.e. soil that was sampled within one week after Zn spiking and after 1, 2 and 3 years incubation in the field). We showed that recovery of the PNR within 2 years after Zn addition was coupled to a decreased sensitivity of the AOB community to increasing Zn concentrations. DGGE fingerprinting revealed a changed AOB community structure and a decreased AOB diversity in Zn spiked, aged soil compared to uncontaminated soil. It was concluded that recovery of the nitrification was related to the development of Zn tolerance which was associated with a change of the AOB community. The development of tolerance (PICT) clearly indicates an effect of exposure to a toxic substance, but its ecological consequences are unclear. The relationship between Zn tolerance and ‘functional stability’ after applying additional stress factors was, therefore, further explored. The uncontaminated soil sample and 4 long-term Zn contaminated soil samples with increasing Zn concentrations (4-24 mmol Zn kg-1) and, hence, increasing Zn tolerance were exposed to a toxic pesticide (metamitron) or to three freeze-thaw or three dry-wet cycles. The immediate response of the soil samples (‘resistance’) and the ability of the soil samples to recover from the stressors after 3 weeks incubation (‘resistance’) were measured. It was found that, in general, tolerance did not negatively affect the functional stability of the AOB community. Overall, it is concluded that the AOB community in long-term Zn contaminated soil adapts to elevated Zn concentrations, as shown by i) a reduced Zn sensitivity and ii) a changed community structure, and that the AOB community is exposed to Zn through the free Zn2+ ion in solution. The combination of Zn adaptation and a decreased Zn bioavailability reduces the toxic effect of Zn in long-term Zn contaminated soil samples compared to the effects of Zn in freshly spiked soil samples. Adaptation of the AOB community to elevated Zn concentrations does not influence its sensitivity towards additional stressors. Nitrificatie in langdurig zink verontreinigde bodem: belang van de biobeschikbaarheid van zink en van de aanpassing van nitrificerende micro-organismen aan verhoogde zink concentraties Zink is een zwaar metaal dat van nature uit in elke bodem aanwezig is. Indien er extra zink wordt toegevoegd aan een bodem in het labo, en de activiteit van micro-organismen in deze labo-verontreinigde bodems wordt gemeten, stelt men meestal een afname van deze bacteriële activiteit vast. Dit effect kan reeds optreden bij zinkconcentraties die lager zijn dan de zinkconcentraties in onverontreinigde bodems met een hoge natuurlijke zinkconcentratie. In langdurig verontreinigde bodems daarentegen worden vaak geen toxische effecten gevonden van sterk verhoogde zinkconcentraties op de microbiële activiteit. In dit onderzoek wordt dit verschil in zink toxiciteit tussen labo-verontreinigde en langdurig zink verontreinigde bodems bestudeerd. Er wordt verondersteld dat het verschil te wijten is aan twee factoren. Enerzijds kan de zinkconcentratie waaraan de micro-organismen worden blootgesteld (‘biobeschikbare’ zinkconcentratie) lager zijn in langdurig verontreinigde bodems dan in labo-verontreinigde bodems door bijvoorbeeld binding van zink op bodemdeeltjes. Anderzijds kunnen de micro-organismen zich ook aanpassen aan de verhoogde zinkconcentraties (‘adaptatie’) in langdurig verontreinigde bodems, waardoor hun gevoeligheid aan zink afneemt. In deze studie wordt de nitrificatie (omzetting van ammonium naar nitraat door nitrificerende micro-organismen) in de bodem bestudeerd als microbieel proces. Langdurig zink verontreinigde bodemstalen werden bemonsterd in een weiland nabij een gegalvaniseerde elektriciteitspyloon. Door corrosie van de pyloon was de onderliggende bodem verontreinigd met zink. Ter controle werd in hetzelfde weiland een onverontreinigde bodem bemonsterd. De zinkconcentraties in de

Zinc --- Pollution du sol --- Soil pollution --- Toxicité --- toxicity --- Inhibiteur de nitrification --- Nitrification inhibitors --- Bactérie fixatrice de l'azote --- nitrogen fixing bacteria --- Propriété biologique --- biological properties --- Academic collection --- 631.46 --- 504 --- 631.416.8 --- Soil bacteriology. Soil biology --- Environment. Environmental science --- Metals and their compounds. Heavy metals in soil --- Theses --- 631.416.8 Metals and their compounds. Heavy metals in soil --- 504 Environment. Environmental science --- 631.46 Soil bacteriology. Soil biology