Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

274

SPATIAL AND TEMPORAL SCALES FOR THE MONITORING 

OF BACTERIAL COMMUNITY STRUCTURE IN COASTAL ECOSYSTEMS.

J.F. Ghiglione*, M. Larcher, S. Emonet, P. Lebaron

Observatoire Océanographique de Banyuls - UMR CNRS 7621 

Université Paris VI. Banyuls Sur Mer, France - * ghiglion@obs-banyuls.fr

Summary 

One of the challenges in microbial ecology is to determine at what temporal and spatial scales the structure of natural communities should

be monitored. Samples of different volumes and taken at different spatial (vertical and horizontal) and temporal (from hours to seasons)

scales were analyzed to investigate at which scale one should monitor community structure at a coastal station. Investigations were

performed in the Bay of Banyuls (Mediterranean, France). No changes in the community structure was detectable within a radius of 200

meters around the station whereas changes were found at both weekly and monthly scales.

Keywords : marine bacterial communities, diversity, sampling strategy

The last decade of microbial ecology has resulted in a veritable

explosion of studies that use new molecular biological techniques to

analyse the structure of microbial communities. These studies have

improved our perception of microbial diversity and community

composition in marine ecosystems (1). However, the temporal and

spatial scales at which bacterial populations vary remained poorly

documented. A comparison of recent studies of bacterial community

dynamics in pelagic marine waters showed minimal differences in

community compositions at stations a few miles apart near Anvers

Island, Antartica (2) or 1500 km apart in the Arabian Sea (3), in

opposition to clear differences observed along the Catalan Coast,

Spain (4). Short-term studies showed major changes in bacterial

communities consequent to qualitative changes in the pool of organic

matter (5, 6). These evidences for space- and time-dependent bacterial

community changes emphasized the importance of sampling stra-

tegies when studying the dynamic of natural communities.

Although a large set of methodologies have been developed to

investigate the structure of bacterial communities, the selection of the

most appropriate method depends on the questions to be answered and

on the amount of samples to be processed within a reasonable period

of time. Fingerprinting approaches offer the best compromise for the

monitoring and comparison of microbial assemblages and for the

assessment of temporal and spatial changes that would not have been

feasible using time-intensive 16S rDNA sequence analysis.

Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) has become a very

popular fingerprinting technique in marine microbial ecology,

especially because bands with particular melting behaviour can be

excised from the gel and subsequently sequenced to reveal the

phylogenetic affiliation of the community members (7). However, its

laborious technical optimisation including calibration of the linear

gradient of DNA denaturants that makes gel-to-gel comparison

difficult have made this technique impractical for the fine comparison

of more than samples loaded on one gel (8). The recently developed

capillary electrophoresis-single strand conformation polymorphism

(CE-SSCP) fingerprinting technique permitted high reproducibility

for reliable comparison of patterns from a theoretically infinite num-

ber of samples. Because a size standard with a different ?uorescent

label is added to each sample, CE-SSCP and further computing

correction encompassed the problem of gel-to-gel comparison (9). 

In this study, CE-SSCP technique was used to determine spatial and

temporal scale changes in the structure of bacterial communities in a

coastal ecosystem. Samples of different volumes and taken at

different spatial (vertical and horizontal) and temporal (from hours to

seasons) scales were analyzed to investigate at which scale one should

monitor community structure at a coastal station. Investigations were

performed in the Bay of Banyuls (Mediterranean, France). 

No changes in the community structure was detectable within a

radius of 200 meters around the SOLA station but changes occurred

at larger scales. Changes were found at both weekly and monthly

scales. Cluster analysis based on a one-year monitoring at the SOLA

station showed changes in the seasonal distribution of

bacterioplankton community structure, without any return to the

initial community structure after one year (Fig. 1).

References 

1-Giovannoni S., Rappé M., 2000. Evolution, diversity, and molecular

ecology of marine prokaryotes. Pp. 47-84. In: Kirchman DL (ed.)

Microbial ecology of the oceans. Wiley-Liss, New York. 

2-Murray AE, Preston CM, Massana R, Taylor LT, Blakis A, Wu K,

DeLong EF, 1998. Seasonal and spatial variability of bacterial and

archaeal assemblages in the coastal waters near Anvers Island, Antarctica.

Appl. Environ. Microbiol.,64: 2585–2595.

3-Riemann L, Steward GF, Fandino LB, Campbell L, Landry MR, Azam

F, 1999. Bacterial community composition during two consecutive NE

Monsoon periods in the Arabian Sea studied by denaturing gradient gel

electrophoresis (DGGE) of rRNA genes. Deep-Sea Res. II, 46:

1791–1811.

4-Schauer M, Massana R, Pedrós-Alió C, 2000. Spatial differences in

bacterioplankton composition along the Catalan coast (NW

Mediterranean) assessed by molecular fingerprinting. FEMS Microbiol.

Ecol.,33:51–59.

5-Fandino L.B., Riemann L., Steward G.F., Long R.A., Azam F., 2001.

Variations in bacterial community structure during a dino?agellate bloom

analyzed by DGGE and 16S rDNA sequencing. Aquat. Microb. Ecol.,23:

119–130.

6-Schäfer H., Bernard L., Courties C., Lebaron P., Servais P., Pukall R.,

Stackebrandt E., Troussellier M., Guindulain T., Vives-Rego J. and

Muyzer G., 2001. Microbial community dynamics in Mediterranean

nutrient-enriched seawater mesocosms: changes in the genetic diversity of

bacterial populations. FEMS Microbiol. Ecol.,34: 243-253.

7-Muyzer, G., Brinkhoff, T., Nübel, U., Santegoeds, C., Schäfer, H. and

Wawer, C., 1998. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) in

microbial ecology. Pp. 1-27. InA.D.L. Akkermans, J.D. van Elsas, and F.J.

de Bruijn (ed.), Molecular microbial ecology manual, vol. 3.4.4. Kluwer

Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands.

8-Moeseneder M.M., Arrieta J.M., Muyzer G., Winter C., Herndl G.J.,

1999. Optimization of terminal-restriction fragment length polymorphism

analysis for complex marine bacterioplankton communities and

comparison with denaturing gradient gel electrophoresis. Appl. Environ.

Microbiol.,Aug. 65(8): 3518-25.

9-Zumstein E., Moletta R., Godon J.J., 2000. Examination of two years

of community dynamics in an anaerobic bioreactor using ?uorescence

polymerase chain reaction (PCR) single-strand conformation

polymorphism analysis. Environ. Microbiol., 2:69-78.

Fig. 1. Cluster analysis dendrogram based on comparison of 16S PCR-

CE-SSCP patterns from one year sampling at the SOLA station

(Mediterranean, France). The tree was constructed by applying

unweighted pair group average linkage rules on a Lance and Williams

index of similarity matrix calculated from the CE-SSCP profiles.