Algemene biodiversiteit in de bodem

Als men de term bodemleven gebruikt bedoelt men vaak de organismen in eerste paar centimeter van de bodem. Hier bevindt zich de grootste dichtheid aan bodemleven (No- tenboom & Van Beelen 1991). Meer Met Bodemenergie is vooral geïnteresseerd in de diepere ondergrond, omdat vrijwel alle WKO-systemen dieper dan 20 m-mv worden ge- plaatst.

In de bodem neemt de biomassa dichtheid (Dinkla 2008) en activiteit (Nadelhoffer et al. 1991) meestal sterk af met toename in diepte. Deze afname is sterk gecorreleerd aan afname in beschikbaar koolstof met toenemende diepte (Allison et al. 2007, Fierer et al. 2003) en de lagere C:N verhouding van de beschikbare substraten (Nadelhoffer et al. 1991). Volgens diverse onderzoekers hebben vooral aspecten als hoeveelheid assimi- leerbaar koolstof en aanwezigheid van nutriënten een groot effect op de hoeveelheid biomassa en de biodiversiteit (Van de Weiden & Willemsen 1991, Fierer et al. 2003, Haak 1984). Volgens Brons is slechts 1% van de totale hoeveelheid organische koolstof biologisch beschikbaar (van der Weiden&Willemsen 1991, Brons 1992). Hicks en Stewart geven aan dat de groei en activiteit van bodem micro-organismen afhankelijk is van de porositeit van de bodem, beschikbaarheid van nutriënten, redoxcondities, pH, tempera- tuur en binding van bacteriën aan bodemdeeltjes. Indien dynamiek wordt aangebracht in de bodem kan dit leiden tot verandering in bovengenoemde omstandigheden

(Hicks&Stewart 1988). Een vermindering van nutriënten in het grondwater leidt echter niet onmiddellijk tot een vermindering van het aantal vrije bacteriën in het grondwater (Heidemij 1986).

Zhou et al. (2002) hebben onderzoek uitgevoerd waarbij de microbiële populatiesamen- stelling (op basis van RFLP) in 29 verschillende bodemmonsters van vier geografisch verschillende gebieden met elkaar werd vergeleken. Uit de resultaten bleek dat in kool- stofarme bodemlagen meer competitie optreedt tussen de verschillende micro-

organismen terwijl in koolstofrijke bodemlagen een hoge diversiteit werd waargenomen die niet door competitie tot stand komt. Dit beeld was onafhankelijk van diepte of water- verzadigingsgraad. De mate van diversiteit wordt mogelijk veroorzaakt door ruimtelijke isolatie (aanwezigheid van niches) en de heterogene aanwezigheid van verschillende substraten (Zhou et al. 2002, Hansel et al. 2008). Dit betekent dat mengen van grondwa- ter, zoals dat in open WKO-systemen gebeurt, kan leiden tot een verstoring van hetero- geniteit en diversiteit van microbiële populaties. Hansel geeft in zijn onderzoek ook aan dat er duidelijke verschillen zijn in microbiële diversiteit en aanwezigheid van functionele genen in verschillende lagen van de bodem. De functionele eigenschappen van de ver- schillende lagen van het bodemprofiel zoals ijzerreductie of ammonium oxidatie verschil- len daardoor sterk (Hansel et al. 2008).

Opgeloste kationen verminderen de afstotingskrachten van de korreloppervlakken. Bac- teriën zijn negatief geladen. In lemige bodems met hoge kationenconcentraties kunnen bacteriën daarom sterk aan de bodem adsorberen en daardoor mogelijk met een factor 500 vertraagd worden ten opzichte van de grondwaterstroming (Haak 1984). In het proefschrift van Foppen wordt aangetoond dat door de aanwezigheid van opgelost orga- nisch materiaal (van bijvoorbeeld een afvalwaterzuivering) de hechting van E. coli en virussen veel minder is dan wanneer er geen opgelost organisch materiaal aanwezig is. Het betreft een verminderde hechting van 2 tot 80 keer, afhankelijk van de verdere che- mische samenstelling van het water (Foppen 2007). Volgens Haak zijn er E. coli stam- men waargenomen die tot meer dan 120 dagen in een betreffende aquifer in leven blij- ven. De variatie in hechtingsefficiency kan binnen een bepaalde E. coli populatie met een factor 100 verschillen, doordat er zowel langzaam als snel hechtende E. coli aanwezig zijn (Foppen 2007).

Theoretisch gezien leidt een verhoging van elke 10°C tot een factor 2 toename van de biologische activiteit (Arrhenius plot, Schlegel 1986). Onderzoeken in de praktijk laten echter zien dat deze theoretische waarden niet worden gerealiseerd. De reden is dat de temperatuur in de praktijk vaak niet de beperkende factor is voor de microbiologische groei maar de beschikbaarheid van organisch koolstof dat voor de micro-organismen bruikbaar is. Wel kunnen bij hogere temperaturen (>45°C) organische stoffen worden vrijgemaakt uit de bodemmatrix, wat de microbiologische groei zou kunnen stimuleren (Brons et al. 1991). Bij kolomexperimenten in het temperatuur bereik 10-30°C kon extra mobilisatie van organische stof niet worden aangetoond (Brons, 2009, persoonlijke com- municatie). Elke bacterie heeft zijn eigen optimumtemperatuur en temperatuurrange waarbinnen deze kan groeien/overleven. De bacteriën kunnen ingedeeld worden in psy- chrofielen (groeioptimum bij 10-15°C), mesofielen (groeioptimum bij 20-40°C) en thermo- fielen (groeioptimum >50°C). Hoewel bacteriën binnen een grote temperatuursrange kunnen leven is voor veel bodembacteriën een verandering in temperatuur van 14°C naar 23°C een kritische (Sowers et al. 2006). Verandering in temperatuur heeft daarom meer effect op de bacteriële samenstelling dan op de totale hoeveelheid biomassa (Hoj et al. 2008). Hoj toont middels DGGE aan dat de relatieve hoeveelheid en diversiteit van de methanogene archeae toe neemt met een verandering in temperatuur. Er treedt een ver- schuiving van de populatie op. Op sommige groepen (Methanoseata) was er een direct effect van de toename in temperatuur terwijl er bij andere soorten (Methanosarcina) geen effect was of juist een indirect effect ten gevolge van andere parameters zoals de aan- of afwezigheid van substraat of nutriënten. Deze andere parameters controleerden in deze gevallen de verschuiving in populatie (Hoj et al. 2008). In een veen monster met lage pH uit Noord Finland bleek echter geen verandering in de populatie archaea op te treden (Hoj et al. 2008). Het effect is dus onder meer afhankelijk van de samenstelling van het bodemtype.

Brielman et al. (2009) toonden geen significante effecten aan in de totale hoeveelheid en activiteit van de aanwezige bacteriën wanneer de grondwatertemperatuur werd gevari- eerd tussen 8,5°C en 18°C. In de biodiversiteit werden echter wel veel verschillen geme- ten (zowel afname als toename), tussen de verschillende monitoringsfilters waar sprake was van een verschil in temperatuur (Brielman et al. 2009). De biodiversiteitsmetingen werden uitgevoerd middels TRFLP (terminal restriction fragment length polymorphism). In onderzoek uitgevoerd door Blume bij koude opslag (Blume et al. 2002) blijkt dat de mi- crobiële activiteit met 83% toenam tijdens de zomermaanden bij een temperatuurstijging van 3°C naar 20°C, de temperatuursverandering had geen effect op de totale hoeveel- heid biomassa. In onderzoek uitgevoerd door Norris op bodem uit Yellowstone National park zijn verschuivingen in DGGE patronen waargenomen bij verandering in temperatuur (temperatuursverandering van 35°C tot 65°C). Deze sterke verandering in DGGE patroon (afname in diversiteit) was bij bijvoorbeeld 50°C na een week zichtbaar en stabiliseerde zich na drie weken (Norris et al. 2002).

Het is vaak niet één bacteriesoort die verandert (toe of afneemt) maar een veranderende bacteriesamenstelling die de stress van opwarming of afkoeling kan weerstaan (Haak 1984). Bacteriën kunnen hun lipidestructuur (tot op zekere hoogte) zodanig aanpassen

Het binnendringen van nutriëntenrijk water in het (warmte of koude) opslaggebied kan ook leiden tot groei van micro-organismen. Volgens Ayuso heeft een lekstroming tussen het oppervlaktewater en het freatisch water een groot effect op de samenstelling van microbiële populaties in het diepere grondwater. Analyses zijn uitgevoerd op basis van DAPI (een kleurtechniek voor microscopie) en BART groeianalyses (activiteitstesten) (Ayuso et al. 2009). Verder heeft Ayuso onderzoek gedaan naar het effect op aantallen en samenstelling van de bacteriële populatie ten aanzien van de diepte en verandering in seizoen. Er is geen correlatie vastgesteld tussen de totale hoeveelheid bacteriën en de diepte (bodemlaag) of het seizoen. Alleen voor de sulfaat reducerende bacteriën (SRB) bleek er een significante toename in aantallen in de zomer en winter van 2004 in vergelij- king met de zomer en winter van 2003. Daarnaast bleek er een duidelijke correlatie tus- sen de neerslag twee maanden voor monstername en de verandering in microbiële popu- latiesamenstelling en de totale hoeveelheid bacteriën (Ayuso et al. 2009).

Uit het bovenstaande blijkt dat er vooral verandering in bacteriële populatiesamenstelling is waargenomen als gevolg van verandering in temperatuur. Deze verandering treedt snel op en stabiliseert vervolgens. De theoretische toename van de bacteriële activiteit met een factor twee met elke 10°C temperatuur toename is in de praktijk niet vaak aan- getoond, doordat niet de temperatuur maar de beschikbaarheid van (bruikbaar) organisch koolstof beperkend is.

7.2.2 Effect op totale hoeveelheid biomassa en biologische activiteit gemeten in WKO-