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Bacterial chemoautotrophic communities in the deep Atlantic Ocean

Johanna Tiroch

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Gerhard J. Herndl

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DOI

10.25365/thesis.34530

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30094.09498.282965-8

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Für Mikroorganismen ist die Tiefsee ein spezielles Habitat, in dem sie sich adaptieren und auf verschiedene Nischen spezialisieren müssen. Bei Prokaryoten ist die Nutzung chemosynthetischer Prozesse weit verbreitet und kann in der gesamten Wassersäule nachgewiesen werden, insbesondere auch in sauerstoffarmen Zonen, hydrothermalen Tiefseespalten und bei unterschiedlichen Umweltbedingungen. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, auf welche Art und Weise Bakterien in der Lage sind, das reiche Vorkommen von „dissolved inorganic carbon“ (DIC) als Energielieferant zu nutzen. Neben Ammonium und Wasserstoff ist Schwefel eine mögliche Energieressource für die lichtunabhängige bakterielle Kohlenstofffixierung. Die Forschungsfrage beruht darauf, zu klären, ob Schwefel während des Prozesses der Kohlenstofffixierung über den Calvin-Bassham-Bason (CBB)-Kreislauf eine mögliche Energiequelle ist, und zwar insbesondere während des lichtunabhängigen Schrittes der Fixierung. Das Schlüsselenzym bei diesem Vorgang ist die Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase / -Oxygenase (RubisCO) in Form I und II, kodiert von cbbL- beziehungsweise cbbM-Genen. Das Gen aprA, die Alpha-Einheit der Adenosine 5’-Phosphosulfat Reduktase, ist in der Lage Schwefel zu reduzieren oder zu oxidieren. Untersucht wird der Anteil der autotrophen Gene aprA und cbbM in der gesamten Wassersäule. Im Rahmen der Arbeit wurden Wasserproben analysiert, die zwischen dem 64. nördlichen und dem 50. südlichen Breitengrad vom Epipelagial bis zum Bathypelagial im offenen Atlantik genommen wurden. Untersucht wurde, ob die oben genannte Energiegewinnung für die Chemosynthese im Fall der vorliegenden Wasserproben zutrifft. Die Proben wurden mithilfe eines CTD - („conductivity-temperature-depth“) Rosetten-Sammlers eingeholt, der mit 25 Liter Niskinflaschen, sowie mit Sensoren für Chlorophyllfluoreszenz, Strömung und Sauerstoff ausgestattet ist. Die Proben (2 - 10 Liter) für die DNA-Analysen wurden an 51 Stationen gezogen. Dabei wurden jeweils Meerwasserproben aus sechs bis acht unterschiedlichen Tiefen entnommen, die durch Polykarbonatfilter mit einer Porengröße von 0,2 µm gefiltert und anschließend sofort in flüssigem molekularen Stickstoff (N2) eingefroren und bei -80°C bis zur weiteren Untersuchung gelagert wurden. Methodisch stützt sich die Arbeit auf Polymerasekettenreaktionen (PCR) und quantitative Polymerasekettenreaktionen (q-PCR). Letztere ist eine Hochdurchsatzmethode, die dazu dient, quantitative Aussagen über die Häufigkeit der Gene, in unserem Fall cbbM und aprA, zu erstellen. Klonieren und anschließende Sanger-Sequenzierung dienen der Feststellung der Phylogenie und Biodiversität. Mithilfe von „ocean data view“ werden die Daten in ihrer Häufigkeit und Tiefenverteilung graphisch dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass im gesamten Atlantik die beiden Gene cbbM und aprA ihr Maximum im Mesopelagial, welches sich mit den sauerstoffarmen Schichten deckt, und dem oberen Bathypelagial aufweisen. Außerdem ist der Anteil der Gene für Autotrophie in oligotrophen Regionen (nord- und südatlantischer „Gyre“ und westtropischer Atlantik) höher im Vergleich zu den weiter nördlich und südlich gelegenen Breitengraden. Ein gemeinsames Vorkommen der cbbM- und aprA-Gene in denselben Bakteriengruppen, der Gammaproteobakterien und Deltaproteobakterien unterstützt die Annahme, dass Bakterien das Potential besitzen, Schwefeloxidation als Energieressource zu nutzen, um Kohlenstoffdioxid über den CBB-Kreislauf zu fixieren. Somit wird die Annahme unterstützt, dass die DIC-Fixierung durch chemoautotrophe Mikroorganismen in der Tiefsee eine mögliche alternative Ressource von organischem Kohlenstoff darstellt, speziell in oligotrophen „gyral“ und tropischen Regionen.

Abstract

(Englisch)

The dark ocean is a harsh environment where available energy and organic carbon sources for microorganisms are scarce. However, a large pool of dissolved inorganic carbon (DIC) is present there that can be potentially fixed through chemosynthesis by bacteria leaving the question on the available energy sources. Several reduced inorganic substrates are potentially available as energy source to fuel dark bacterial autotrophic carbon fixation such as ammonia, hydrogen and sulfur. The aprA gene encodes for the alpha subunit of the adenosine-5′-phosphosulfate (APS) reductase, responsible for either oxidizing or reducing sulfur. The oxidizing pathway might represent an energy source for the Calvin-Benson-Basham (CBB)-cycle in the dark ocean. In this study, cbbM, encoding RubisCO form II in Bacteria, and aprA gene abundance were determined along a transect in the Atlantic from 64°N to 50°S to quantify the potential for bacterial chemoautotrophy throughout the water column from the epi- to the bathypelagic realm. Both cbbM and aprA gene abundance were highest in the mesopelagic zone (200 - 1000 m), coinciding with the oxygen minimum layer, and upper bathypelagic (1000 - 2000 m) throughout the Atlantic. Moreover, bacterial autotrophic genes were relatively more abundant in oligotrophic regions, such as the North and South Atlantic Gyre and the Western Tropical Atlantic, as compared to high latitude regions. The co-occurrence of RubisCO and aprA genes in the same bacterial lineages affiliated to Gammaproteobacteria and Deltaproteobacteria subphyla indicates the potential of using sulfur oxidation as an energy source for CO2 fixation through the CBB cycle in these widespread groups. Taken together, our results provide evidence that DIC fixation by chemoautotrophic microbes represents a potential alternative source of organic carbon for the deep ocean heterotrophs, especially in the oligotrophic gyral and tropical regions.

Autor*innen

Johanna Tiroch

Haupttitel (Englisch)

Bacterial chemoautotrophic communities in the deep Atlantic Ocean

Paralleltitel (Deutsch)

Bakterielle chemoautotrophe Gemeinschaften im tiefen atlantischen Ozean

Paralleltitel (Englisch)

Bacterial chemoautotrophic communities in the deep Atlantic Ocean

Publikationsjahr

2014

Umfangsangabe

41 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Gerhard J. Herndl

Klassifikation

42 Biologie > 42.94 Meeresbiologie

AC Nummer

AC12182787

Utheses ID

30649

Studienkennzahl

UA | 066 | 833 | |

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Schlagwörter