Die kalte mikrobielle Mehrheit - marine sulfatreduzierende Mikroorganismen

Molekularbiologische Methoden haben in den letzten zwei Jahrzehnten neue Einblicke in die enorme genetische Vielfalt, Dominanz und Verteilung von Mikroorganismen auf der Erde ermöglicht. Weil nur ein winziger Bruchteil dieser "mikrobiellen Mehrheit" in Kultur vorliegt, sind allerdings die metabolischen Fähigkeiten der meisten Mikroorganismen und damit ihre ökologische Funktion weitgehend unbekannt. Bestes Beispiel dafür sind sulfatreduzierende Mikroorganismen (SRM), allgegenwärtige Bewohner von anoxischen Sedimenten am Meeresboden und wichtige Katalysatoren der marinen Schwefel- und Kohlenstoffkreisläufe. Mehr als 90% der Meeresbodenfläche ist dauerhaft Temperaturen unter 4C ausgesetzt ist. Die meisten kultivierten SRM sind aber meso- oder thermophil und somit ist über die genetischen Besonderheiten und die Physiologie von psychrophilen SRM verhältnismäßig wenig bekannt. Wir werden mittels eines neuartigen kultivierungsunabhängigen Ansatzes, der modernste Hochdurchsatz-DNA-Mikroarray-Methoden und hochauflösende Einzelzellanalysen kombiniert, die SRM in Oberflächensedimenten des Svalbard-Archipels in der Arktis untersuchen. Basierend auf der 16S rRNA (Gen) Phylogeographie von Bakterien und Archaeen, wird ein DNA Mikroarray für die Mikrobiota der Svalbard Sedimente entwickelt und für die Identifizierung von psychrophilen SRM in naturnahen Inkubationen von Sediment mit isotopenmarkierten Substraten herangezogen. Die so genannten Isotope Array` Analysen werden einerseits die Substratverwertungsprofile der verschiedenen SRM eines Standortes und andererseits die Verbreitungsmuster der aktiv azetatoxidierenden SRM über verschiedene Svalbard Fjorde aufdecken. Diese Untersuchungen werden durch Einzelzellanalysen ergänzt um weitere Informationen zur Häufigkeit (mittels Fluoreszenz in situ Hybridisierung) und Ökophysiologie (mittels Mikroautoradiographie, Raman-Mikrospektroskopie, und/oder bildgebender Sekundärionen-Massenspektrometrie; NanoSIMS) der identifizierten SRM in den Sedimenten zu gewinnen. Darüber hinaus werden wir gezielt einzelne Zellen psychrophiler SRM basierend auf ihrer Physiologie oder Phylogenie aussortieren. Die Genome ausgewählter Zellen werden sequenziert und hinsichtlich spezifischer genetischer Merkmale untersucht die es den SRM ermöglichen einen aktiven Metabolismus in der Kälte unterhalten. Durch die Integration modernster Methoden wird dieses Projekt (a) beispiellose Einblicke in die Biogeographie, die Ökophysiologie und das Erbgut einer mikrobiellen Gilde ermöglichen, die von globaler Bedeutung in den Ozeanen ist und (b) eine konzeptionelle Grundlage für die systematische Untersuchung anderer unkultivierter Vertreter der `mikrobiellen Mehrheit` liefern.

Der Meeresboden ist größtenteils kalt (<4C) und dennoch sind die dort lebenden Mikroorganismen metabolisch sehr aktiv. Diese kälteangepassten Mikroorganismen mineralisieren riesige Mengen an organischer Substanz, die in Form von Phytoplankton auf den Meeresboden sinkt. Aufgrund der Klimaerwärmung und der damit abnehmenden Meereseisdecke dürfte in arktischen Gewässern das Phytoplankton-Wachstum noch weiter zunehmen. Bis zu 50% des verfügbaren organischen Kohlenstoffs in der Sauerstoff-freien Sedimentoberfläche werden durch sogenannte sulfatreduzierende Mikroorganismen (SRM) zu Kohlendioxid mineralisiert, was sie zu wichtigen Akteuren in den Schwefel- und Kohlenstoffkreisläufen der Ozeane macht. Über die Identität und Biologie von kälteangepassten Mikroorganismen in marinen Sedimenten ist jedoch noch wenig bekannt. In diesem Projekt wurden erstmals neue Erkenntnisse in Bezug auf die Verteilung, Substratnutzung und genomische Zusammensetzung von SRM und anderen Mikroorganismen, die gemeinsam am organischen Kohlenstoffabbau im arktischen Meeresboden beteiligt sind, gewonnen. Zu den Höhepunkten des Projekts gehört die Entdeckung, dass ein erhöhter Gletscherabfluss in marine Fjorde auch noch die Mikroorganismen in bis zu 6 m tiefen Sedimentschichten (die sogenannte tiefe Biosphäre) beeinflusst. Durch die höheren Sedimentationsraten werden Ökosystemprozesse und die daran beteiligten Mikroorganismen, die typischerweise nur in der Sedimentoberfläche vorherrschen, auch in tiefe Sedimentschichten begraben. Wir konnten außerdem zeigen, dass nicht alle Mikroorganismen, die aktiv am Abbau von Algenbiomasse beteiligt sind, wie beispielsweise Azetat-verwertende SRM-Arten, die Substrate für ihr Wachstum und damit für eine Vergrößerung ihrer Populationsgröße nutzen. Diese unterschiedlichen zellulären Strategien der einzelnen Arten haben wichtige Auswirkungen auf deren Populationsdynamik und damit auf die Zusammensetzung der funktionellen Mikrobengruppen in marinen Sedimenten. Darüber hinaus haben wir neue Mikroorganismen entdeckt, die beim Abbau von Biomasse freiwerdende Proteine, Lipide oder DNA verwerten, und neue Einblicke in ihre Genomstruktur, Nährstoffquellen und Nischenaufteilung in arktischen marinen Sedimenten gewonnen. So sind beispielsweise Bakterienarten der neuen Ordnung Candidatus Izemoplasmatales spezialisierte DNA-Fresser, deren Genome mit Genen für extrazelluläre Nukleasen und für Enzyme zur Verwendung verschiedener DNA-Subkomponenten prall gefüllt sind.