BACTERIAL EXTRACELLULAR ENZYMATIC ACTIVITIES IN A TYRRHENIAN ECOSYSTEM

(GULF OF MILAZZO)

Caruso G.,* Decembrini F., Azzaro F., Raffa F., Galletta M.G.

Istituto per l’Ambiente Marino Costiero (IAMC) - Section of Messina, C.N.R., Messina, Italy - * caruso@ist.me.cnr.it

Abstract

Leucine aminopeptidase, 

ß

-glucosidase and alkaline phosphatase activities were estimated by ?uorogenic substrates in a Tyrrhenian

ecosystem; two different periods were studied, as indicative of different hydrographic structures (i.e., water column stratification and

homogeneity). The measured values of metabolic activities sometimes followed a general decreasing coastal-offshore gradient; during

water homogeneity, enhanced leucine aminopeptidase activity rates, heterotrophic and autotrophic biomasses occurred, while during water

stratification high levels of metabolic activity were detected. 

Key-words: Enzymes, bacteria, phytoplankton biomass, Mediterranean Sea

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

268

Introduction

Heterotrophic bacteria, which play a major role in the particulate to

dissolved matter transformation, are known to promptly respond to

environmental changes, modifying their metabolic patterns according

to available organic compounds. Microbial activity rates are enhanced

in highly enriched environments (1, 2). The Gulf of Milazzo

ecosystem is located along the north-eastern coast of Sicily; in its

more western part it receives organic matter inputs coming from

stream and urban and industrial settlements. A tendency of this area

towards eutrophication has been observed in the past (3). Unlike the

hydrological and general biological parameters, bacterial dynamics

and metabolism in this ecosystem remained poorly understood. As

part of the Cluster 10 - MIUR Project, aimed at monitoring coastal

Sicilian areas, the distribution and variation in extracellular enzymatic

activity and bacterial abundance together with the phytoplankton

biomass, were investigated. Focus was put on evaluating both the

autotrophic and heterotrophic communities in relation to spatial (i.e.,

effect of continental input) and temporal scale (i.e., trophic status of

waters due to seasonal organic enrichment).

Materials and Methods 

Two oceanographic cruises (December 2002 and February 2003)

have been performed by the R/V L. Sanzoof the IAMC-CNR, in the

Gulf of Milazzo during late fall and winter, as representative of

different hydrological conditions (water stratification and

homogeneity, respectively). The ecological characteristics of the area

are described in the same issue (4). Seawater samples (n=15 for each

cruise) were collected by a rosette sampler above, within and below

the Deep Chlorophyll Maximum (DCM) along a coastal-offshore

transect located in the central-western section of the Gulf (latitude

38°12’N, longitude 15°14’E to latitude 38°17’N, longitude 15°22’E).

The following parameters were measured: temperature, salinity,

dissolved oxygen, fluorescence, nutrients (ammonia, nitrate,

orthophosphate), autotrophic biomass expressed as chlorophyll-a

(Chl-a), extracellular enzymatic activities (leucine aminopeptidase,

AMP, 

ß

-glucosidase, 

ß

-Glu, alkaline phosphatase, AP) and

heterotrophic bacterial abundance (MA) by Marine agar plate counts.

Bacterial extracellular enzyme activities (EEA), expressed as the

maximum velocity of hydrolysis (V

max

), were determined using the

specific ?uorogenic substrates L-leucine-7-amido-4-methyl-coumarin

hydrochloride (LEU-MCA), 4-methylumbelliferyl (MUF)-ß-

glucoside and MUF-phosphate for the ectoenzymatic activities AMP

,

ß-

Glu and AP (2).

Results

Enzyme patterns displayed a general decreasing trend with

increasing distance from the coast in both the periods examined. In

December 2002, AMP values ranged from 0.284 to 15.36 µM/h, while

ß

-GLU and AP values were between 0.0545 and 3.562 nM/h and

between 0.14 and 867.62 nM/h, respectively. Heterotrophic bacteria

ranged from 2 to 57 CFU/100ml. Auto- and heterotrophic biomasses,

calculated from all the data, were significantly reciprocally correlated

(r= 0.758, P<0.01, n=13) and correlated with temperature (r= 0.734

and 0.941, P<0.01, n=13, for MA and Chl-arespectively). In the

stratified surface layer, the highest AMP and AP levels, as well as Chl-

aand MA concentrations were found. Here, the metabolic activities

correlated positively with temperature (r= 0.997, P<0.01; 0.954,

P<0.05; 0.993, P<0.01, n=4 for AMP, 

ß

-Glu and AP respectively).

The stratified water structure was also re?ected in the highest

coefficient of variations (C.V.= standard deviation/mean *100)

measured for heterotrophic (94.96) and autotrophic (50.53)

biomasses. Within the DCM layer, phytoplankton contributed to the

release of AP, as suggested by the close relationship (r= 0.938,

P<0.05, n=4) between AP and Chl-a. Below this layer, the

heterotrophic growth correlated with phytoplankton biomass, as

shown by the MA-Chl-arelationship (r= 0.976, P<0.05, n=4). In

February 2003, when water column became mixed, values of about 2

orders of magnitude higher than those previously observed were

found for AMP (12.31-73089.26 nM/h) and bacterial heterotrophic

density (70-1880 CFU/100ml). A similar increasing pattern was

displayed by Chl-a, with values (from 0.065 to 0.45 µg/l) higher than

in December (0.015 to 0.238 µg/l). The phytoplankton growth was

supported by high ammonia (0.10-7.02 µM) and inorganic phosphate

(0.09-1.01 µM) amounts available in this period. In contrast, AP and

ß

-Glu activity values were lower than in December, ranging from

0.256 to 463.96 nM/h and from 0.00107 to 0.01505 nM/h,

respectively. Peaks of AP and Chl-ashifted from surface towards

intermediate depths, following the slight increase (0.37 °C) of

temperature towards the bottom, while AMP activity and MA did not

seem affected by the hydrological condition, being always higher in

surface layers. Within the DCM layer, all the bacterial enzyme

activities were significantly reciprocally correlated (r= 0.989, P<0.01;

0.952 and 0.909, P<0.05, n=4, for AMP-AP, AMP-

ß

-Glu and 

ß

-Glu-

AP, respectively). 

Discussion

The bacterial activity values measured in our study ranged in the

same order of magnitude as those reported for other pelagic

Mediterranean waters (5). AMP was the prevalent enzyme, as

observed in other temperate environments (6). Although the supply of

terrigenous organic matter determined a spatial decreasing pattern of

bacterial activity towards offshore stations, some enzyme peaks were

also observed offshore in relation to the particular (anticyclonic)

mesoscale water column structure (4). Temporal variations in organic

matter decomposition rates were also found. In the well-mixed water

column, the availability of nutrients supported both autotrophic and

heterotrophic growth. When the water column becomes stratified,

enhanced activity rates towards more refractory compounds were

found. This preliminary study contributes to the knowledge of mean-

term changes in microbial processes in Mediterranean ecosystems in

relation to environmental conditions. 

References

1-Azam F., Smith D.C., Steward G.F., and Hagstrom A., 1993. Bacteria-

organic matter coupling and significance for carbon cycling. Microb.

Ecol., 28: 167-179.

2-Hoppe H.G., 1993. Use of ?uorogenic model substrates for extracellu-

lar enzyme activity (EEA) measurement of bacteria. Pp. 423-431. In:

Kemp P.F., Sherr B.F., Sherr E.B., Cole J.J. (eds), Handbook of methods

in aquatic microbial ecology. Lewis Publ., Boca Raton.

3-Giacobbe M.G., Maimone G., and CrisafiE., 1986. Analisi dei popola-

menti fitoplanctonici e batterici di un’area del Golfo di Milazzo (Messina)

nella prospettiva di un suo utilizzo in acquacoltura. Nova Thalassia, 8: 57-

79. 

4-Decembrini F., Azzaro F., Galletta M.G., and Raffa F., this issue. Short-

term changes of hydrobiological features in the Gulf of Milazzo (Tyrrhen-

ian Sicily). 

5-Zaccone R., La Ferla R., Azzaro M., Caruso G., and CrisafiE., 2001.

Spatial and temporal variations in microbial activity in the Mediterranean

Sea. Arch. Oceanogr. Limnol., 22: 199-206.

6-Hoppe H.G., Arnosti C., and Herndl G.J., 2002. Ecological signifi-

cance of bacterial enzymes in the marine environment. Pp.73-107. In:

Burns R.G. and Dick R.P.(eds), Enzymes in the environment. Activity,

ecology and applications. Marcel Dekker Inc., New York-Basel.