Experimental evidence for differences between surface-attached biofilms and suspendend aggregates in fluvial ecosystems

Bache und Flusse bilden Netzwerke entlang der kontinentalen Flachen und fungieren als Schnittstelle zwischen Boden und Grundwasser mit der Atmosphare und verbinden Oberflachengewasser mit den Ozeanen. Entlang dieser Netzwerke werden erhebliche Mengen an organischem Kohlenstoff teilweise abgebaut, als Organo-Mineral-Komplexe in Sedimenten begraben oder zu den Ozeanen transportiert. Dadurch leisten Bache und Flusse einen bedeutenden Beitrag zum globalen Kohlenstoffkreislauf. Das aquatische Mikrobiom in Fliesgewassern spielt eine entscheidende Rolle in biogeochemischen Prozessen und daraus resultierenden Gasflussen zwischen Oberflachengewasser und der Atmosphare. Trotz der grosen Bedeutung dieses komplexen aquatischen Mikrobioms, ist seine Differenzierung in mikrobielle Biofilme, suspendierte Aggregate und frei lebende planktonischen Gemeinschaften weitaus unerforscht. Es wird vermutet, dass sich diese unterschiedlichen bakteriellen Lebensstile in Abhangigkeit von den dominierenden hydrologischen Bedingung, von kleinen Oberlaufen zu grosen Auensystem, andern. Verstandnis uber die Einflusse der hydrologischen Bedingungen auf die Differenzierung bakterieller Lebensstile, Biodiversitat und Sukzessionsmuster ist ein wesentlicher Schritt um mikrobielle Lebensstile und deren Funktionen in fluvialen Okosystemen vorherzusagen. Mein PhD-Projekt umfasste einen umfangreichen experimentellen Ansatz zur Simulation von hydrologischen Treibern auf die mikrobielle Lebensstil- Differenzierung. Ich verwendete planktonische Gemeinschaften aus einem Bach- und Au-Okosystem, die unter kontrollierten Laborbedingungen unterschiedlichen hydraulischen Bedingungen ausgesetzt wurden. Um hydraulische Bedingungen eines naturlichen Flusskontinuums zu simulieren, verwendete ich Fliesrinnen und rotierende Zylinder. Innerhalb dieser Bedingungen wurde das Wachstum von Biofilmen und suspendierten Aggregaten aus dem Inokulum uber einen Zeitraum von 45 Tagen beobachtet. Nach 45 Tagen zeigten sowohl Biofilme als auch suspendierte Aggregate unterschiedliche Wachstumsdynamiken und differenzierte Morphologien. Bioinformatische Analysen mit Hilfe von 16SrRNA-Gen Sequenzierung zeigten grundlegende Unterschiede in der Biodiversitat (Artenreichtum und Alpha-Diversitat) und Sukzessionsmustern zwischen Biofilmen und suspendierten Aggregaten. Diese konnten den unterschiedlichen hydrologischen Bedingungen zugeschrieben werden. Daruber hinaus zeigten meine Ergebnisse, dass die Biofilm-Gemeinschaft durch einige wenige, residente und phylogenetisch verwandte Taxa, die das Biofilm-„Ruckgrat“ bildeten, gepragt waren, wahrend eine sehr vielfaltige, aber niedrig abundante Gemeinschaft die suspendierten Aggregate definierten. Der zweite Schwerpunkt meiner Arbeit bezog sich auf die Wachstumsstrategien von Biofilmen aus unterschiedlichen Bachsystemen. Ich untersuchte die Verteilung der rRNA-Operon-Kopien (rrn), die generell als wichtiges Merkmal im Zusammenhang mit der bakteriellen Wachstumsphysiologie und Ressourcennutzungseffizienz gebracht wird, in Biofilmen, die unter experimentellen und naturlichen Bedingungen gewachsen sind. Meine Ergebnisse zeigten, dass Biofilmsukzession von Bakterien, die eine langsame, aber effiziente Wachstumsstrategie verfolgten, initiiert worden ist. Diese Strategie unterliegt vermutlich einem metabolischen trade-off, in dem Energie bevorzugt in Biofilmbildungs-Prozesse investiert wird, anstatt in zellulares Wachstum. Meine Beobachtungen deuten ebenfalls darauf hin, dass wahrend des zeitlichen Verlaufs eines Biofilms, Kolonisierungs-Konkurrenz trade-offs von groserer Bedeutung sind verglichen mit anderen bekannte okologische Wachstumsstrategien bakterieller Gemeinschaften. Das bedeutet, dass wahrend Biofilmsukzessionen eine Verlagerung von Arten mit besonderer Fahigkeit zur Kolonisierung von neuen Flachen hin zu Arten mit hoher Konkurrenzstarke beobachtet werden kann. Die Untersuchung der rrn-Verteilung in Biofilmen aus 140 Bachen zeigte, dass Biofilm-Gemeinschaften einem breiten Spektrum genomischer Austauschbeziehungen begegnen konnen und deren relative Bedeutung von ihrer okologischen Anpassungsstrategie abhangt. Zusatzlich zur Arbeit aus meinem ersten Kapitel habe ich auch die Sorption von organo-mineralischen Partikeln auf den Stoffwechsel der mikrobiellen Lebensstile untersucht. Meine Kollegen und ich fanden hierbei heraus, dass suspendierte Aggregate hohere metabolische Anforderungen als Biofilme hatten. Daruber hinaus, hatten die Organo-Mineral-Komplexe eine starkere Wirkung auf diese suspendierten Aggregate als auf Biofilme, wodurch die Kohlenstoff- und Stickstoffmineralisierungswirksamkeit um 41% bzw. 93% verringert wurde. Verglichen damit, sanken die Biofilm-Kohlenstoff- und Stickstoffmineralisierungswirksamkeiten nur um 30% bzw. 6%. Diese Ergebnisse wurden den deutlich unterschiedlichen Morphologien und Gemeinschaftszusammensetzungen der suspendierten Aggregate und Biofilme zugeschrieben. Meine Forschung uber mikrobielle Lebensstile in fluvialen Okosystemen fuhrt das aktuelle Verstandnis des mikrobiellen Lebens und dessen Funktion in Suswasserokosystemen voran. Daruber hinaus bietet diese Arbeit neue Einblicke in die Sukzession von bakteriellen Gemeinschaften und ihre Anpassungsfahigkeit in Biofilmen.