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Ecology of riverine particles

from viruses to aggregates

Birgit Luef

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Peter Peduzzi

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DOI

10.25365/thesis.3958

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30460.56003.165154-0

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Schwebstoffe in Fließgewässern (suspendiertes partikuläres Material) setzen sich aus heterogenem, anorganischen und organischen Material zusammen. Die lebenden organischen Anteile wie Algen, Protozoa, Pilze, Bakterien und Viren sind durch nukleinsäurehältige Bausteine charakterisiert. Die Architektur und der Zusammenhalt dieser Aggregate sind durch die Präsenz von extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) gewährleistet, welche hauptsächlich von Bakterien und Algen erzeugt werden. Um Schwebstoff-Aggregate aus den Flüssen Donau und Elbe zu analysieren, wurden eine Reihe von Konfokalen Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) Techniken angewendet. All diese Methoden erlaubten vielfältige Informationen der untersuchten Aggregate zu erlangen. Zum einen wurden die Autofluoreszenz der phototrophen Organismen (Algen, Cyanobakterien) und die Reflektion mineralischer Substanzen (anorganische Matrix, zelluläre Reflektion) genutzt. Zum anderen erlaubte eine spezielle Nukleinsäurefärbung die Visualisierung von Viren, Bakterien und Zellkernen der Eukaryota. Die Analyse mittels Lektinen ermöglichte die Untersuchung der EPS-spezifischen Glycoconjugate. Daraus ergaben sich Informationen über die Architektur der Aggregate und die räumliche Verteilung von Bakterien und Viren. Die Färbe-Fluoreszenz-Techniken beinhalteten einerseits positives Färben (polymere Matrix, Zellen, Viren), andererseits negatives Färben (Aggregatvolumen) und die Anwendung von Multikanalaufnahmen am CLSM. Weiters ermöglichten Gefrierschnitte in Verbindung mit Nachfärbungen die Erhebung von repräsentativen Daten bezüglich der Verteilung von Bakterien und EPS-spezifischen Glycoconjugaten im Inneren von Aggregaten. Die CLSM Daten wurden anschließend mittels digitaler Bilderkennungsanalyse bearbeitet, um quantitative Aussagen zu gewinnen. Zu diesem Zweck wurden hochentwickelte Software Programme verwendet, welche die Berechnung von 3-dimensionalen (3-D) Objekten verschiedener Signalstärken und Größenklassen ermöglichten. Die beiden Flüsse Donau und Elbe besitzen Schwebstoff-Aggregate unterschiedlicher Qualität. Nur wenige der getesteten Lektine zeigten eine eindeutige Bindung mit den spezifischen Glycoconjugaten der Aggregate. Die Zusammensetzung der Glycoconjgate der Schwebstoff-Aggregate war beim Vergleich der beiden Flüsse zur selben Jahreszeit unterschiedlich. Außerdem änderte sich die Zusammensetzung der spezifischen Glycoconjgate der Aggregate innerhalb jedes Flusses im Laufe der verschiedenen Jahreszeiten. Zelluläre, nukleinsäurehältige Signale (Signale stammen von Viren, Bakterien und Zellkernen der Eukaryota) zeigten Unterschiede in der räumlichen Anordnung innerhalb der Aggregate, welche von der Größe der Schwebstoffflocken und von der Saison abhängig waren. Weiters zeigte die räumliche Struktur der zellulären nukleinsäurehältigen Signale in der Elbe eine komplexere Anordnung als in der Donau. Ferner wurde CLSM in Kombination mit verschiedenen Fluorochromen dazu verwendet, um die räumliche Anordnung von Virensignalen in der Struktur der Schwebstoff-Aggregate sichtbar zu machen. Aggregate der Donau beinhalteten bis zu to 5.39 x 109 Viren cm³. Kenntnis über die räumliche Anordnung der polymeren Substanzen und zellulären nukleinsäurehältigen Signalen in Aggregaten ist von enormer Wichtigkeit, um die Beziehung von Struktur, Funktion und räumlicher Dynamik besser verstehen zu können. 3-D Visualisierung und 3-D Quantifizierung der Aggregatstrukturen könnten eine Grundlage für die Modellierung der Entwicklung aquatischer Aggregate bilden. Darüber hinaus präsentieren wir ein online Programm „VIPCAL“ (viral production calculator) zur Berechnung lytischer viraler Produktion und des prozentualen Anteils lysogener Bakterien, basierend auf Daten eines Viren-Reduktionsansatzes (viral reduction approach, VRA). Die Berechnung der viralen Produktion basiert auf einem neuen Modell, welches beliebige Daten eines VRA durch stückweise stetige Kurven darstellt. Das Programm berechnet auch verschiedenste virale bzw. durch Virenaktivität beeinflußte Parameter. Durch die Benützung des Programms VIPCAL können unterschiedliche Berechnungsweisen diverser Parameter vermieden werden und Vergleiche verschiedener Studien in unterschiedlichen Laboratorien vereinfacht werden.

Abstract

(Englisch)

Depending on the origin, riverine aggregates (suspended material) harbor a complex mixture of inorganic and organic components. The living organic components are characterized by nucleic acid-containing constituents such as algae, protozoa, fungi, bacteria and virus-like particles. The architecture and integrity of these aggregates are supplemented by the presence of extracellular polymeric substances (EPS) produced mainly by bacteria and algae. A variety of Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) strategies to examine aggregates, collected from the Danube and Elbe rivers, are presented. In order to collect multiple information, a variety of approaches is necessary. Firstly, advantage was taken of the autofluorescence of phototrophic organisms (algae, cyanobacteria) and of reflection imaging (mineral compounds, inorganic matrix, cellular reflection). Secondly, nucleic acid stains for visualization of viruses, bacteria, nuclei of eucaryotes as well as lectin-binding analysis for examination of the polymeric matrix (EPS-specific glycoconjugates) allowed us to obtain information on the aggregate architecture and on the spatial distribution of bacteria and viruses. The staining procedure included positive staining (polymeric matrix, cells, viruses) as well as negative-staining (volume of aggregates) and multi-channel recording. Furthermore, cryo-sectioning in combination with post-staining yields representative data on the internal distribution of constituents (viruses, bacteria, nuclei of eucaryotes, EPS glycoconjugates) across the whole aggregate.The CLSM data sets were then processed by using digital image analysis in order to extract quantitative information. For this purpose advanced software was used, which allows calculation of 3-dimensional (3-D) objects of various signal intensity and size classes. The two rivers, Danube and Elbe, appeared to harbor different aggregate qualities. Testing a panel of different lectins, only few lectins showed strong and clear binding to the specific glycoconjugates of the aggregates. The Danube and Elbe aggregates differed in their glycoconjugate composition when compared at the same season. Furthermore, the binding patterns of most lectins to the glycoconjugates of the riverine aggregates changed over time. Over an annual cycle, the relative contribution of the specific glycoconjugates and associated cellular nucleic acid signals (signals derive from bacteria, viruses, nuclei of eucaryotes) to the aggregate volume changed over time. Different spatial patterns of cellular nucleic acid signals inside of riverine aggregates were found, depending on the size of the aggregate and season. The spatial structure of cellular nucleic acid signals inside riverine aggregates was more complex in the Elbe than in the Danube. Furthermore, CLSM was used in combination with different fluorochromes to obtain information on aggregate architecture and on the spatial distribution of viruses within fully hydrated aggregates. For example, aggregates from the Danube River harbored up to 5.39 x 109 viruses cm³. Knowledge about the internal distribution of polymeric substances and cellular nucleic acid signals may be essential for understanding the relationship of structure, function and spatial dynamics of aquatic aggregates. 3-D visualization and 3-D quantification of the aggregate structures may provide a basis for modelling the aggregates’ development. An online program “Viral Production Calculator” (VIPCAL) that calculates lytic viral production and the percentage of lysogenic cells, based on data from a viral reduction approach (VRA), is presented. The main advantage of our method lies in its universal applicability also to different piecewise-linear curves. Therefore, the model is universally applicable to all possible data generated by a VRA. We demonstrate the application of our tool for the calculation of lytic viral production and the proportion of lysogenic bacteria in an environmental sample. Furthermore, the program can be used to calculate different parameters for estimating virus induced mortality. Differences in the calculation of viral production and diverse viral parameters between studies and laboratories can be avoided by using VIPCAL, which facilities interpretation of the results.

Autor*innen

Birgit Luef

Haupttitel (Englisch)

Ecology of riverine particles

Hauptuntertitel (Englisch)

from viruses to aggregates

Paralleltitel (Deutsch)

Ökologie von suspendierten Partikeln in Flußsystemen ; von Viren zu Aggregaten

Publikationsjahr

2008

Umfangsangabe

137 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Gerhard Herndl ,

Michael Wagner

Klassifikation

42 Biologie > 42.93 Limnologie

AC Nummer

AC05039318

Utheses ID

3490

Studienkennzahl

UA | 091 | 444 | |

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