Einfluß der Trophie auf mikrobielle Räuber-Beute Beziehungen

Forschungsprojekt P 14637Einfluß der Trophie auf mikrobielle Räuber-Beute BeziehungenRoland PSENNER09.10.2000 Sowohl Freiland- als auch Laborstudien haben gezeigt, daß in aquatischen Systemen hetero- bzw. mixotrophe Flagellaten und Ciliaten die bedeutendsten Konsumenten bakterieller Biomasse sind. Einerseits stellen diese Einzeller (Protisten) somit eine wichtige Verbindung zwischen Bakterien und höheren trophischen Ebenen dar, andererseits trägt ihre Fraßaktivität entscheidend zum Recycling von Nährstoffen bei. Einige Bakterienstämme reagieren auf den Räuberdruck, indem sie wesentliche Zell-Charakteristika verändern, um Fraßverluste zu verringern oder sogar fraßresistent zu werden. Weitgehend unbekannt ist jedoch, wie Einzeller ihrerseits auf bakterielle Verteidigungsstrategien reagieren können. In diesem Projekt soll zunächst a) das Verhältnis von Algen zu Bakterien (des experimentellen Systems) unter verschiedenen Nährstoffbedingungen untersucht werden. Außerdem soll studiert werden, wie b) unterschiedliche Nährstoffbedingungen die Bildung von bakteriellen Verteidigungsstrategien beinflussen und wie c) bakterivore Einzeller ihrerseits auf diese Strategien reagieren. Zur Beantwortung dieser Fragen werden Experimente in kontinuierlichen Kultivierungssystemen durchgeführt. Die Basis der experimentellen mikrobiellen Gemeinschaft bilden die Alge Cryptomonas sp. und eine mit ihr assoziierte bakterielle Gemeinschaft, die von den organischen Exudaten der Alge lebt. Die ersten Versuche sollen klären wie, sich diese Bakterien-Algen Assoziation in Abhängigkeit vom zugegeben Phosphor (limitieretider Nährstoff des Systems!) verändert. Geplant ist die Messung von gelöstem und partikulären Phosphor in unterschiedlichen Größenfraktionen, sowie eine Charakterisierung des Kohlenstoffflusses von den Algen zu den Bakterien. In den folgenden Experimenten werden mehrere Kultivierungssysteme, die unterschiedliche Phosphorkonzentrationen aufweisen, mit bakterivoren Protisten beimpft. Untersucht wird nun, ob der Räuberdruck bei unterschiedlichen trophischen Bedingungen gleiche Veränderungen in der bakteriellen Größenverteilung, der bakteriellen Aktivität sowie der taxonomischen Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft bewirkt. Zudem wird beobachtet, wie räuberische Protisten ihrerseits auf unterschiedliche bakterielle Verteidigungsstrategien reagieren. Die Kultivierungssysteme werden circa 1-2 Monate lang beprobt, bevor wir die Phosphorfracht der Nährmedien in den einzelnen Ansätzen ändern werden. Die Phosphorkonzentrationen der Systeme mit den geringsten Werten werden schrittweise erhöht und umgekehrt.

Organismengemeinschaften aquatischer Systeme stehen in sehr enger Wechselbeziehung, die ursprünglich als lineare Nahrungskette verstanden wurde. Heutzutage spricht man von einem "Nahrungsnetz", und in Bezug auf die mikrobielle Gemeinschaft von einem "microbial food web". Mit Hilfe von Kultivierungssystemen im Labor (Chemostaten) wurde die Struktur von mikrobiellen Nahrungsnetzen erforscht. An der Basis des experimentellen Nahrungsnetzes stand die Alge Cryptomonas phaselous, welche im Zuge der Photosynthese große Mengen an extrazellulären organischen Kohlenstoff abgibt, der als Nährstoffquelle für eine taxonomisch diverse Bakteriengemeinschaft diente. Durch Zugabe von räuberischen Einzellern wurde nun erforscht, wie typische Charakteristika von Bakterien durch den Fraßdruck von Einzellern verändert wurden. Das Wechselspiel zwischen Bakterien und Einzellern (Protozoen) wird als die evolutionär älteste Räuber-Beute Beziehung angesehen und erweckt somit besonderes Interesse. Im Rahmen des Projektes wurde untersucht, wie das "microbial food web" auf Veränderungen der Umweltbedingungen reagiert. Eine der größten anthropogen verursachten Veränderungen in Gewässern stellt die Eutrophierung, d.h. die Belastung von Seen mit Nährstoffen (vor allem Phosphor) dar. Phosphor ist ein ganz wesentlicher Nährstoff sowohl für Algen als auch für Bakterien. Somit ergibt sich ein spannendes Konkurrenzverhältnis, da Bakterien einerseits von der Algenproduktion abhängen, d.h. organischen Kohlenstoff benötigen, aber andererseits um den Phosphor konkurrieren. In Experimenten wurden dem Nahrungsnetz verschieden hohe Phosphorkonzentrationen zugesetzt, um zu untersuchen, wie sich die Wechselbeziehung zwischen Bakterien und Algen verändert. Da Bakterien im Allgemeinen als die stärkeren Konkurrenten um den limitierenden Nährstoff Phosphor gelten, entsteht eine paradoxe Situation. In diesen Versuchen wurde das "Algen-Bakterien-Paradoxon" bestätigt, welches besagt, dass bei sehr geringen Phosphorkonzentrationen die Bakterien einen unerwartet hohen Biomasseanteil gegenüber Algen haben können. D.h. obwohl Bakterien mit den Algen um den Phosphor konkurrieren, fördern Algen ihre Konkurrenten unter Nährstofflimitierung stärker als man erwarten würde. Zudem wurde analysiert, welche Strategien bei unterschiedlichen Nährstoffkonzentrationen von Bakterien als Antwort auf Räuberdruck ausgebildet werden. Diese Strategien betreffen z.B. Änderungen in der bakteriellen Zellgröße, um vom Räuber nicht mehr aufgenommen werden zu können. In den Versuchen zeigte sich, dass der Räuberdruck durch Einzeller ein derart stark strukturierendes Element ist, dass sogar die Artenzusammensetzung der Bakteriengemeinschaft, d.h. die Diversität beeinflusst wird. Es zeigte sich in allen durchgeführten Experimenten, dass das mikrobielle Nahrungsnetz die erste und wesentliche Komponente darstellt, die durch anthropogen verursachte Nährstoffzugaben (v.a. Phosphor) in Gewässern betroffen ist.