THE ROLE OF COMMON MACROFAUNA HOLOBIONTS IN BENTHIC NITROGEN CYCLING

In estuarine systems, interactions between microbes and macrofauna are likely widespread and may establish through multiple mechanisms. Macrofauna, besides grazing, bioturbating sediments and ventilating burrows, can host or inoculate microbes from ambient environment. Macrofauna hosts and their associated microbes form holobionts, which are biological and functional units capable of performing multiple processes. However, they are largely understudied due to methodological limitations or oversimplification of experimental approaches. Therefore, the cumulative effects of holobionts are rarely accounted for in biogeochemical studies and their actual magnitude may be underestimated when assessing ecosystem-wide processes. In this thesis, we investigated the contribution of common macrofauna in shallow estuarine benthic sediments with emphasis on the role of ecological interactions between microbes and their invertebrate hosts on regulation of nitrogen (N) cycling processes. We used a combination of ecological, biogeochemical, and molecular approaches to partitioning the direct and indirect role of macrofauna including bioturbation, physiological and holobionts activities in benthic habitats. The results show that all macrofauna holobionts hosted active and complex microbiomes, capable of different N transformations, such as denitrification, dissimulative nitrate reduction to ammonium, and dinitrogen fixation. The detection of N transformations in common macrofauna holobionts highlights hidden and interactive effects among microbes and animals. In tropical estuarine system, abundant fiddler crab holobionts are a net dinitrogen (N2) sink, with N2 fixation exceeding N losses, and as a significant source of ammonium and dissolved organic N to the surrounding environment. On the contrary, the role of the holobionts in the temperate and boreal estuarine systems were of minor importance as compared to the activity of sediment-associated microbial communities. There, distinct macrofauna taxa in community altered benthic metabolism and N cycling directly by impacting respiration and excretion rates and indirectly by reworking sediment. The findings in this thesis further support that main biogeochemical processes in sediment are predominantly the result of the collective effects of different functional groups and their mutual interactions with associated microbes. Although the role of holobionts in colder systems was relatively low to this found in tropics, however this might be different along seasons or habitats. In the future, more studies should address environmental or biological factors that regulate holobionts activity across different taxa of macrofauna and habitats.

Nei sistemi di estuario, le interazioni tra microrganismi e la macrofauna sono probabilmente ampiamente diffuse e possono stabilirsi attraverso molteplici meccanismi. La macrofauna, oltre a pascolare, bioturbare i sedimenti e ventilare le tane, può ospitare o e fare da vettore di microrganismi nell'ambiente circostante. La macrofauna e i microrganismi ad essa associati formano olobionti, ovvero unità biologiche e funzionali in grado di eseguire più processi. Tuttavia, essi sono in gran parte poco studiati a causa di limitazioni metodologiche o di un'eccessiva semplificazione degli approcci sperimentali. Pertanto, gli effetti cumulativi degli olobionti sono raramente presi in considerazione negli studi biogeochimici e la loro effettiva entità può essere sottovalutata quando si valutano i processi a livello di ecosistema. In questa tesi, abbiamo studiato il contributo della macrofauna più rappresentata nei sedimenti bentonici di estuari poco profondi, con particolare enfasi sul ruolo delle interazioni ecologiche tra i microbi e i loro ospiti invertebrati sulla regolazione dei processi del ciclo dell'azoto (N). Abbiamo utilizzato una combinazione di approcci ecologici, biogeochimici e molecolari per suddividere il ruolo diretto e indiretto della macrofauna, comprese le attività di bioturbazione, fisiologiche e degli olobionti negli habitat bentonici. I risultati mostrano che tutti gli olobionti della macrofauna ospitavano microbiomi attivi e complessi, capaci di diverse trasformazioni di N come la denitrificazione, la riduzione dissimulativa dei nitrati ad ammonio e la fissazione dell’azoto. Il rilevamento di trasformazioni di N in comuni olobionti della macrofauna evidenzia effetti nascosti e interattivi tra microbi e animali. Nel sistema di estuari tropicali abbiamo evidenziato una intensa attività di azoto fissazione da parte degli olobionti del granchio violinista, tale da superare le perdite di N per denitrificazione e da costituire una sorgente significativa di ammonio e N organico per l'ambiente circostante. Al contrario, il ruolo degli olobionti nei sistemi estuariali temperati e boreali è risultata di minore importanza rispetto all'attività delle comunità microbiche associate ai sedimenti. In tali ambienti, vari gruppi della comunità macrobentonica hanno evidenziato una alterazione del metabolismo bentonico e del ciclo dell'N, direttamente influenzando i tassi di respirazione ed escrezione e indirettamente tramite l’alterazione fisica del sedimento. I risultati ottenuti supportano ulteriormente la tesi che i principali processi biogeochimici nei sedimenti sono prevalentemente il risultato degli effetti collettivi di diversi gruppi funzionali e delle loro mutue interazioni con i microbi associati. Sebbene il ruolo degli olobionti nei sistemi più freddi sia risultato relativamente basso rispetto a quello riscontrato negli ecosistemi tropicali, rimane da chiarire se ciò sia una costante o un quadro variabile da stagione a stagione. In futuro, ulteriori studi dovrebbero affrontare i fattori ambientali o biologici che regolano l'attività degli olobionti attraverso il condizionamento esercitato sui diversi taxa macrobentonici e nei diversi habitat.