Untersuchung des Kohlenstoffkreislaufs und der Rolle von Exopolymeren in Cyanobakterienmatten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Vorhabens war es, den Kohlenstoff-Kreislauf und die Rolle extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS) in marinen und hypersalinen Cyanobakterienmatten zu bestimmen. Eine geochemische Charakterisierung hypersaliner Matten zeigte zunächst abnehmende und sich dann mit der Tiefe stabilisierende Konzentrationen verschiedener Kohlenstoff-Fraktionen, wie organischer Kohlenstoff (Corg), Kohlenhydrate, Aminosäuren und hochmolekulare EPS (>10 kDa) im oberen Zentimeter der Matte. Die Verteilung spezifischer Cyanobakterien-Biomarker (geradkettige und mittkettig-methylverzweigte Alkane) korrelierte mit der photosynthetisch aktiven Schicht. Ein Beitrag unterschiedlicher EPS-bildender Bakterien und/oder ein selektiver Abbau von Proteinen relativ zu Polysacchariden in der EPS-Fraktion führte zu einem zunehmenden C/N Verhältnis der EPS-Fraktion mit der Matten-Tiefe. Daher ist die EPS-Fraktion, die sich mit der Tiefe in hypersalinen Matten ansammelt, wahrscheinlich auch stärker refraktär als die in der Oberflächenschicht. Der d13C-Wert der EPS variierte nur wenig und näherte sich dem d13C-Wert der Corg-Fraktion bei Tiefen >4 mm in der Matte an. Diese organische Fraktion in tieferen Schichten ist wahrscheinlich von Zellresten mit potentiell ähnlicher Zusammensetzung stabiler Kohlenstoffisotope und ähnlichem Erhaltungspotential dominiert. Für den Erhalt organischen Materials spielen die EPS eine wichtige Rolle, u.a. bedingt durch die Gegenwart verschiedener funktioneller Gruppen. Mit einem optimierten Ansatz für die kombinierte Durchführung von 13C-Markierungs- und Mikrosensor-Experimenten wurde eine hohe photosynthetische 13C-Inkorporation in marine und hypersaline Matten gefunden. Eine direkte Abnahme der 13C-Markierung in der Corg-Fraktion nach Entfernen des NaH13CO3 war durch photosynthetische Bildung von 12C-angereichertem Corg und durch Remineralisierung des 13C-angereicherten Corg bedingt. EPS-Extrakte zeigten deutliche Unterschiede zur Corg-Fraktion, da die 13C-Markierung der EPS-Fraktion nach Entfernen des NaH13CO3 weiter zunahm. Dies deutet auf einen sukzessiven 13C-Einbau in die EPS der Bakterien, die auf den von den Cyanobakterien ausgeschiedenen 13C-angereicherten C-Fraktionen wachsen, und/oder auf eine Umwandlung der 13C-angereicherten Corg-Fraktion (Speicherstoffe) in EPS durch die Cyanobakterien hin. Es zeigt neben einer engen Kopplung zwischen Cyanobakterien und heterotrophen Bakterien auch eine dynamische EPS-Bildung heterotropher Bakterien in den Matten. Die Verweildauer des photosynthetisch fixierten 13C war, im Vergleich zur Corg-Fraktion, deutlich in Richtung EPS verlängert. Trotz einer langen Untersuchungsphase nach Entfernen des NaH13CO3 war keine deutliche Abnahme der 13C-Markierung der EPS erkennbar, was auf komplexe Wechselwirkungen zwischen verschiedenen phototrophen und heterotrophen EPS-bildenden Bakterien schließen lässt. Für die mikroskopische Analyse von EPS-Bildnern und der EPS-Verteilung in intakten hypersalinen Matten wurde die lektinspezifische Bindung an EPS-Glykokonjugate anhand des Fluoreszenzsignals mit Konfokaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) bestimmt. Die Detektion von EPS-Scheiden und geringen, aber stabilen EPS-Konzentrationen in größeren Tiefen zeigen das Erhaltungspotential von EPS in hypersalinen Matten. Zudem zeigten diese Analysen eine feinskalige Schichtung und Mikroheterogenität der EPS-Verteilung, sowie das Vorkommen unterschiedlicher EPS-Bildner in der oxischen und anoxischen Schicht der Matten. Die in diskreten Schichten ohne Pigmentfluoreszenz detektierten EPS setzten sich aus akkumulierenden EPS aus der (ehemaligen) Oberfläche und aus EPS heterotropher Bakterien zusammen. Die Vielfalt der EPS-Bildner in der Matte erklären die beobachteten Unterschiede zwischen der EPS- und Corg-Dynamik, die auf einem sukzessiven Abbau des 13C- angereicherten Corg durch EPS-bildende heterotrophe Bakterien basieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2007) Extracellular polymeric substances (EPS) from cyanobacterial mats: characterisation and isolation method optimisation. Mar. Biol. 152: 1077-1085
Klock, J.-H., Wieland, A., Seifert, R., Michaelis, W.
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(2008) A novel, multi-layered methanotrophic microbial mat system growing on the sediment of the Black Sea. Environ. Microbiol. 10: 1934-1947
Krüger, M., Blumenberg, M., Kasten, S., Wieland, A., Känel, L., Klock, J.-H., Michaelis, W., Seifert, R.
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(2008) Carbon pools and isotopic trends in a hypersaline cyanobacterial mat. Geobiology 6: 171-186
Wieland, A., Pape, T., Möbius, J., Klock, J.-H., Michaelis, W.
