Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

298

VARIABILITY OF ENZYMATIC ACTIVITIES IN THE IONIAN SEA

Zaccone R.*, Monticelli L. S., Zampino D.

Istituto per l’Ambiente Marino Costiero, CNR, section of Messina. Spianata S. Raineri, 86, 98122 Messina, Italy -  * zaccone@ist.me.cnr.it

Abstract

The variability of aminopeptidase (LAP), ß-glucosidase (GLU) and alkaline phosphatase (AP) enzymatic activities in the water masses of

the Ionian Sea was studied during two SINAPSI cruises. In the surface layer, we found a significant increase of all enzymatic activities

during spring. The AP values were 1.5-2.9 times higher than LAP, indicating a faster regeneration of P during the productive season. In

the intermediate and deep (DW) layers the values showed a sharp decrease. In the bottom layer (BBL) we observed an increase of LAP

and AP enzymatic activities during winter. The winter high AP/LAP ratio (2.9 and 1.73, respectively) in the DW and BBL layers indicated

that AP plays an important role for deep bacteria not only as P source. 

Key words: Enzymes, Mediterranean Sea, deep bacteria. 

Introduction

The Ionian Sea represents a crossing region between the Western

and the Eastern Mediterranean Sea and is one of the sites most

affected by the out?ow of Adriatic water and the changes in water

composition and dynamics caused by the Eastern Mediterranean

Transient. These changes have produced an adaptation of

microorganisms related to nutrient sources and/or temperature

increase. 

In the euphotic zone, the heterotrophic microbial activity is

particularly intense and is derived from adaptation of a very wide

spectrum of nutritional sources produced by autotrophic processes. In

the deep sea, life depends on the availability of reduced carbon in the

form of particulate organic matter (POM) and dissolved organic

carbon (DOC) (1). 

Previous investigations have been carried out so far, on microbial

activities in the Mediterranean Sea, mainly in coastal and euphotic

zones. Information on the deep sea is very scarce and predominantly

collected in the open ocean (2).

The aim of the work was to study the variability of the hydrolysis

processes of aminopeptidase (LAP), ß-glucosidase (GLU) and

alkaline phosphatase (AP) enzymatic activities in the water masses of

the Ionian Sea.

Materials and Methods

The study was carried out during two SINAPSI (Seasonal

Interannual and decAdal variability of the atmosPhere, oceans and

related marine ecosystems) cruises (winter 1999 and spring 2002).

Samples were collected at eleven pelagic stations, distributed at

different depths (from surface to 4985 m) within a triangular area

whose vertices are defined by the following coordinates (19.2°E,

40.3°N; 14.5°E, 35.3°N; 22.0°E, 35.3°N).

Microbial activities of aminopeptidase (LAP), ß-glucosidase (ß-

GLU) and alkaline phosphatase (AP) were determined by the use of

the ?uorogenic substrates leucine-7-amido-4-methyl-coumarin (Leu-

MCA), methylumbelliferyl-ß-glucoside (MUF-ß-GLU) and MUF-

phosphate (MUF-AP) according to Hoppe (3), incubating the samples

in the dark at in situ temperature. All bacterial extracellular enzyme

activities were measured as potential activities (V

max

) (4).

We grouped the water masses into five layers, according to their

distribution and characteristics. The surface layer (ISW) extended up

to 100 m, the intermediate layer, mainly occupied by the Levantine

Intermediate Water (LIW) spanned over the depth interval 200-600 m,

the transition layer with depths from 700 to 1500 m, the deep layer

(DW) for depths >2000 m and the benthic boundary layer (BBL)

about 10 m from sea?oor. 

Results and Discussion

The condition of the water column showed a beginning of

stratification of waters with peaks of ?uorescence at 50-100 m,

although the spring mean values of temperature were similar to those

in winter, varying from 15.30°C (ISW) to 13.97°C (BBL) in winter

and from 15.33°C (ISW) to 13.32°C (BBL) in spring.

Results showed a high variability and a significant increase during

spring of all enzymatic activities in the surface layer (LAP and 

ß

-

GLU: P<0.05, AP: P<0.01, ANOVA test).

The mean values of LAP in the surface layer (with the exception of

the Adriatic station) ranged from 0.37 to 4.34 nmol l

-1

h

-1

in winter

1999 and from 1.73 to 2.95 nmol l

-1

h

-l 

in spring 2002, indicating the

in?uence of the Adriatic waters in the northern stations of the Ionian

Sea. AP mean values in the surface layer ranged from 0.2 nmol l

-1

h

-1

to 6.44 nmol l

-1

h

-1

in winter 1999 and from 3.1 nmol l

-1

h

-1

to 10.35

nmol l

-1

h

-1

. 

ß

-GLU mean values ranged from 0.04 nmol l

-1

h

-1

to

0.32 nmol l

-1

h

-1

in winter, and from 0.11 nmol l

-1

h

-1

to 2.55 nmol l

-1

h

-1

in spring.

In the intermediate and deep waters the values showed a sharp

decrease, with similar values in the two seasons and only in the deep

waters, the LAP was significantly different between seasons (P<0.05,

ANOVA test).

During winter, an increase of all enzymatic activities was observed

at the BBL, in correspondence to the increase of bacteria. LAP and AP

activities showed a high variability among stations. This trend was

confirmed in the spring sampling, while ß-GLU showed opposite

behaviour. 

As observed in other temperate areas, LAP production always

exceeded 

ß

-GLU activity showing a different LAP/

ß

-GLU ratio

among all layers from 1.2 to 17.1 in winter and from 1.5 to 29.4 in

spring. 

In the surface layer during spring, AP activity was higher (1.5-2.9

times) than LAP. This suggested that AP may be an indicator of fast

regeneration of P during the productive season to sustain both bacteria

and phytoplankton growth in oligotrophic waters. The potential

remineralization rate of phosphorus was 5.01 

µ

g P dm

-3

per day.

In winter the potential remineralization rate of phosphorus (up to

1.14 

µ

g P dm

-3

per day), recorded at the BBL, was similar to the

surface rate (1.55 

µ

g P dm

-3

per day). A high AP/LAP ratio (2.9 and

1.73, respectively) was observed in the DW and BBL layers. In these

layers, despite of the availability of inorganic P, the high AP activity

indicated that phosphatase plays an important role for deep bacteria

not only as P source, but it also could represent an alternative C source

for bacterial nutrition in accordance with Hoppe et al. (2). They

suggested, in fact, that phosphatase was probably related more to C

limitation of deep bacteria than P limitation and that the AP activity

was a prerequisite for a more efficient C utilization. In conclusion the

spatial and seasonal variability in microbial enzymatic activities,

related to the different water masses of the Ionian Sea, could be

considered an indicator of the main microbial processes in the

oligotrophic waters.

References

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

organic matter coupling and significance for carbon cycling. Microb.

Ecol., 28: 167-179.

2-Hoppe H.G., Arnosti C., and Herndl G., 2002. Ecological significance

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

R.G. and Dick R.P. (eds) Enzymes in the environment. Marcel Dekker

Inc., New York.

3-Hoppe H.G., 1983. Significance of exoenzymatic activities in the

ecology of brackish water: measurements by means of

methylumbelliferyl-substrates. Mar. Ecol. Prog. Ser.,11: 299-308. 

4-Zaccone R., Monticelli L.S., Seritti A., Santinelli C., Azzaro M.,

Boldrin A., La Ferla R., and Ribera d’Alcalà M.,2003. Bacterial processes

in the intermediate and deep layers of the Ionian Sea in winter 1999:

vertical profiles and their relationship to the different water masses. J.

Geophys. Res.,in press.