Bacterial growth rates in limnic systems and the role of ambient water pH

Abstract

Abstract

The environmental pH is an important factor affecting bacterial physiology and
function as well as community composition in soil and marine ecosystems. However,
studies of the effect of pH on bacterial function in limnic systems have been scarce.
Considering studies in soil where it has been conclusively confirmed that bacterial
growth rates (μ) are considerably lower in a low pH environment it was hypothesized
that the same relationship occurs in limnic systems.
Waters were sampled in lakes and rivers of varying pH and assessed for
bacterial production (BP) using 3H-Leucine incorporation. Three different methods
were used to study the effect of pH on bacterial growth rates (μ); (1) growth under
resource replete conditions in in situ waters of differing in pH, (2) growth after
thawing of frozen in situ waters differing in pH and (3) growth in artificial waters
with different pH using differently pH adapted inocula.
Results for bacterial growth under resource replete conditions revealed a
negative relationship for bacterial growth rates (μ) and pH, a reverse outcome if
compared to the expected. This was most likely due to priming by the addition of
glucose in the low pH waters where total organic carbon was higher. The thawing
procedure displayed a bacterial growth rate to pH relationship that was in agreement
with the presented hypothesis, a positive relationship between bacterial growth rates
(μ) and pH. Bacterial growth rates in artificial waters with different pH displayed a
parabolic relationship with highest growth at neutral pH (6-8), hereby showing yet a
new outcome opposing the hypothesis. It was speculated that this was due to an
inoculum adaption to neutral pH. The pooled inoculum had bacteria from all sample
locations with an average pH of 6, at which the growth rate also peaked. Additionally,
maintaining cytoplasmic homeostasis is known to be less costly for bacteria living at
neutral pH, which in our case would allow for higher bacterial growth rates.
Conclusively for all experiments it seems like bacteria perform best in neutral pH
conditions when resource conditions are the same, however, in nature this is rarely the
case and to get a decisive answer to how pH affects bacterial function, more studies
are definitely needed.

Abstract (Swedish)

Är en sur vattenmiljö dålig för bakterier?

Bakterier finns överallt på vår planet och är bland annat viktiga för
nerbrytningsprocesser i naturen. De bakterier som klassificeras som heterotrofa livnär
sig genom att bryta ner döda växt-och djurdelar och omvandla detta till energi. I sjöar
och vattendrag utgör dessa bakterier en central del, då de kan utnyttja resurser som är
otillgängliga för andra organismer och föra vidare dessa uppåt i födokedjan. Få
studier har gjorts kring hur bakterier i sötvatten påverkas av surhetsgrad (pH). Precis
som temperatur eller resurstillgång så är pH också en viktig parameter som styr hur
aktivt ett bakteriesamhälle är. Trots detta har man har man dålig kunskap om hur pH
påverkar heterotrofa bakterier i sötvattenssystem. Det finns många studier som visar
att pH påverkar bakteriers tillväxthastighet i mark och jord. I sötvattensystem varierar
pH starkt både i tid och rum och därför är det intressant att studera hur bakteriers
aktivitet påverkas av vattnets pH.

Hur bakteriernas aktivitet påverkas av pH testades genom att följa deras tillväxt under
olika betingelser. Vatten och bakterier samlades in från sjöar och bäckar längs ett brett
pH intervall (4.2 – 8.1). Tre olika försök utfördes för att studera hur bakteriers tillväxt
beror av pH. I första försöket tillsattes näring till de insamlade sjövattnen, för att
bakterierna skulle ha lika resurstillgång och att bara pH skilde mellan vattnen. I andra
försöket frystes de olika sjövattnen och bakterietillväxten följdes efter att de tinats
upp. Till sist skapades artificiella vatten med exakt lika resurser, där bara pH var
skiljefaktor. Till dessa vatten sattes en liten mängd bakterier, vars tillväxt följdes.

Bakterietillväxtens förhållande till pH skilde sig i de olika experimenten. I det första
experimentet där sjövatten testades med normaliserade resurser, var tillväxten högre i
vatten med lägre pH. I upptiningsförsöket var förhållandet det motsatta. I det
artificiella vattnet med justerat pH var tillväxten högst kring neutralt pH, 6 – 8.
Figuren visar hur bakterietillväxten varierade med pH i de tre experimenten.

Resultaten från upptiningsförsöket och försöket med artificiellt vatten visat tydligt att
heterotrofa bakterier presterar bättre i neutralt pH. Rakt motsatt resultat erhölls dock i
experimentet med naturligt vatten med normaliserade resurser, här var tillväxten högst
i lägre pH. Detta kan möjligen förklaras med att det
finns mer organiskt material i låga pH-sjöar samt att
tillsatsen av extra samt mer tillgängliga resurser kan
ha aktiverat bakterier som tidigare haft svårt att
tillväxa. Många frågor kvarstår men resultaten
antyder att pH påverkar hur ett bakteriesamhälle
fungerar i sötvatten. Det är möjligt att bakterier som
lever i försurade sjöar kan ha en försämrad förmåga
att utnyttja de tillgängliga resurserna.

Handledare: Emma Kritzberg, Erland Bååth
Examensarbete för masterexamen 30 hp i Akvatisk Ekologi 2012
Biologiska institutionen, Lunds universitet

• author: Laster-Grip, Daniel
• supervisor: Emma Kritzberg; Erland Bååth
• organization: Degree Projects in Biology
• course: BIOM35 20121
• year: 2012
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences
• language: English
• id: 3608595
• date added to LUP: 2013-03-20 12:26:05
• date last changed: 2013-03-20 12:26:05