Chemolithoautotrophe Kohlenstoffdioxid-Fixierung in Seen

Chemolithoautotrophe Prokaryoten, das sind Bakterien und Archaeen die ihre Energie für die Kohlenstoffdioxid- Fixierung aus anorganischen Verbindungen gewinnen, haben oft eine Schlüsselfunktion in biogeochemischen Stoffkreisläufen. Bis heute sind sechs unterschiedliche Stoffwechselwege bekannt, die Organismen für die Assimilation von Kohlenstoffdioxid (CO2 ) nutzen können. Obwohl die biochemischen und molekularbiologischen Grundlagen der unterschiedlichen CO 2 -Fixierungswege für viele Isolate unter Laborbedingungen weitgehend aufgeklärt sind, liegen über Verbreitung, Strategien und ökologische Bedeutung der unterschiedlichen CO 2 - Fixierungsstrategien in der Natur kaum Untersuchungen vor. Im vorliegenden Projekt soll geklärt werden, welche Wege der CO 2 -Assimilation von chemolithoautotrophen Organismen genutzt werden, wobei drei unterschiedlich geschichtete Seen als Untersuchungsgebiete dienen sollen. Thermisch geschichtete Seen bilden Gradienten sowohl in der Sauerstoffkonzentration als auch in unterschiedlichen Redoxzuständen von Elementen wie Stickstoff, Schwefel und Eisen aus. Diese Seen sind exzellente Modellsysteme für die Untersuchung chemolithoautotropher Gemeinschaften, auch weil sie klar definierbare Heterogenitätsmuster ausbilden. Unsere Untersuchungen beinhalten die Analyse von Genen, die ausgewählte Schlüsselenzyme der CO 2 -Fixierung kodieren, wobei das Augenmerk auf den Calvin-Zyklus, den reduktiven Zitronensäurezyklus und den erst kürzlich beschriebenen 3- Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyratzyklus gerichtet ist. Aus Voruntersuchungen ist bekannt, dass diese Wege der CO 2 -Assimilation in unterschiedlichen Zonen von Seen bedeutend sind. Wir sind speziell daran interessiert zu erfahren, welche CO 2 -Fixierungswege aktuell unter den in situ Bedingungen genutzt werden und welche Prokaryoten dafür verantwortlich sind. Untersuchungen basierend auf Sequenzanalysen funktioneller Gene, quantitativer Reverse Transkriptase-PCR und "stable-isotope probing" mit 13C-Bikarbonat als Substrat erlauben den direkten Nachweis aktiver CO 2 -Fixierungswege und der Identität der beteiligten Prokaryoten. Letztendlich soll das Forschungsvorhaben klären, welche Faktoren und Prozesse die Verbreitung und Diversität unterschiedlicher chemolithoautotropher CO 2 -Fixierungstragien in aquatischen Systemen maßgeblich bestimmen.

Die Primärproduktion gehört zu den wichtigsten biologischen Prozessen und ist von fundamentaler Bedeutung für den globalen Kohlenstoffkreislauf. Sonnenlicht ist aber nicht notwendigerweise die Voraussetzung um anorganischen Kohlenstoff in der Form von Kohlendioxid (CO2) assimilieren zu können, da auch chemische Energie diesen Metabolismus aufrechterhalten kann. Chemolithoautotrophe Mikroorganismen nutzen diese Form der Energiegewinnung auf Basis unterschiedlich reduzierter Verbindungen. Daher hat diese Organismengruppe eine Schlüsselfunktion im Kreislauf von Stickstoff, Schwefel und anderen Elementen. Die ökologische Bedeutung unterschiedlicher CO2-Fixierungsstrategien für die Verbreitung chemoautotropher Organismen ist in diesem Zusammenhang aber weitgehend unbekannt. Ziel des vorliegenden Projekts war es unterschiedliche Stoffwechselwege der CO2-Assimilation in Seen zu untersuchen, und den Einfluss abiotischer Faktoren und Prozesse für Verbreitung und Diversität chemolithoautotropher CO2-Fixierungstragien zuquantifizieren. Untersuchungenbasierendauf molekulargenetischen Methoden, stable-isotope probing mit 13C-Bikarbonat als Substrat und Einzelzell-Fluoreszenz in-situ Hybridisierung erlaubten den Nachweis aktiver CO2- Fixierungswege in Verbindung mit der Identität der beteiligten Mikroorganismen. Die ubiquitäreVerbreitungverschiedenerFormenderRibulose-1,5-Bisphosphat Carboxylase/Oxygenase (RubisCO) im Calvin Zyklus von Bakterien weist darauf hin, dass dieser Stoffwechselweg von großer Bedeutung in Seen ist und von einem taxonomisch breiten Spektrum von Bakterien mit unterschiedlichsten Physiologien zur CO2 Assimilation genutzt wird. Der energieeffiziente 3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyratzyklus wird exklusiv von ammoniumoxidierenden Archaeen für die CO2-Fixierung genutzt und ist vor allem in tiefen und nährstoffarmen Seen in großer Zahl vorzufinden. Der dritte untersuchte Weg der CO2 -Assimilation, der reduktive Zitratzyklus, ist durch eine ausgeprägte Sauerstoffempfindlichkeit gekennzeichnet und wird daher speziell von Bakteriengruppen im Schwefelkreislauf tiefer sauerstoffarmer Zonen der Seen genutzt. Seine weiteste Verbreitung findet dieser Stoffwechselweg allerdings in der Gruppe der Nitrit-oxidierenden Bakteriengruppe der Nitrospira, die vor allem in großen Seen vorkommen und in ihrer Verbreitung an das Vorkommen Ammoniak-oxidierender Thaumarcheen gebunden sind. Interessanterweise ist der reduktive Zitratzyklus in dieser Gruppe gegenüber Sauerstoff relativ unempfindlich, was auf enzymatische Adaptationen zurückzuführen ist. Letztendlich erlaubten die Ergebnisse des Projekts auch detaillierte Rückschlüsse welche ökologischen Nischen unterschiedliche Gruppen chemoautotropher Mikroorganismen in Abhängigkeit der Eigenschaften einzelner CO2-Fixierungsstrategien bevorzugen.