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Ecophysiology and genomics of sulfate-reducers and other necromass-degrading microorganisms in arctic marine sediments
Claus Pelikan
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Biologie)
Betreuer*in
Alexander Loy
DOI
10.25365/thesis.56986
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17281.33882.926779-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Mikroorganismen die im Meeresboden leben tragen in hohem Maße zum Abbau von
Algenbiomasse aus der Wassersäule bei und spielen daher eine große Rolle im globalen
Kohlenstoffkreislauf.
Von
entscheidender
Bedeutung
sind
sulfatreduzierende
Mikroorganismen (SRM), die für die Mineralisierung von etwa 12-29% des am
Meeresboden
abgelagerten
organischen
Materials
verantwortlich
sind.
Steigende
Temperaturen in der Arktis werden Prognosen zufolge dazu führen, dass sich mehr
Phytoplanktonbiomasse in der Wassersäule bilden kann, was einen erhöhten Eintrag von
organischem
Material
auf
den
Meeresboden
zur
Folge
haben
könnte.
Obwohl
Mikroorganismen in marinen Sedimenten eine großen Bedeutung für den globalen
Kohlenstoffkreislauf haben, ist deren Identität und Funktion bisher
jedoch fast
unerforscht.
Der Fokus dieser Dissertation lag daher darauf wichtige mikrobielle Taxa zu
identifizieren und deren Verbreitung und Funktion für das Ökosystem zu verstehen. Um
die
Funktion
spezifischer
Sedimentinkubationen mit
Mikroorganismen
13 C-markierten
zu
erforschen,
wurden
anaerobe
Substraten (Zell-, Protein- und Lipidextrakt von
der Blaualge Spirulina, DNA und Acetat) versetzt und der Einbau dieser Substrate mittels
DNA stable isotope probing und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung in Kombination mit
Raman
Mikrospektroskopie
untersucht.
Die
Veränderungen
Gemeinschaft und die Abundanz spezifischer Mikroorganismen in der
der
mikrobiellen
13 C-angereicherten
DNA wurde mittels Hochdurchsatzsequenzierung von 16S rRNA Genen untersucht. Um
ähnliche Analysen mit SRM zu ermöglichen, wurde in dieser Dissertation eine Pipeline zur
Hochdurchsatzsequenzierung von bakteriellen dsrA und dsrB Sequenzen etabliert. Diese
Methode zur Hochdurchsatzsequenzierung von dsrA und dsrB wurde mit zwei künstlichen
mikrobiellen Gemeinschaften und drei Umweltproben erfolgreich getestet. Um die Rolle
von SRM während des Kohlenstoffabbaus zu untersuchen wurden Sulfatreduktionsraten
und Sulfatkonzentrationen bestimmt und Kontrollinkubationen mit dem für SRM
spezifischen
Hemmstoff
Molybdat
angesetzt.
Zusätzlich
wurden
Konzentrationsbestimmungen von kurzkettigen Fettsäuren und Laktat durchgeführt, da
diese wichtige Substrate für SRM sind. Anhand von Metagenomen wurden mögliche
Abbauwege für die zugegebenen Substrate postuliert. Weiters wurde der Einfluss von
Gletschern auf die Mikroorganismen im Sediment untersucht.
Die Inkubationsexperimente zeigten, dass Psychrilyobacter auf Proteinabbau und
einige Stämme von Psychromonas auf Lipidabbau spezialisiert waren. Weiters hat eine
JTB215-affilierte Clostridia Population vermutlich Proteine und Lipide hydrolysiert. Für den
Abbau von DNA waren vor allem Vertreter der neuen Bakteriengattung Izemoplasma
verantwortlich. Genomanalysen ergaben, dass die Genome der meisten Hydrolysierer
Enzyme für den extrazellulären Abbau von Makromolekülen sowie für eine Vielzahl vonTransportern und den intrazellulären Abbau von Peptiden, Fettsäuren, Glyzerin und
Nukleinsäuren kodierten. Die Konzentrationen kurzkettiger Fettsäuren und Laktat in den
anaeroben
Inkubationen
waren
stark
von
der
Aktivität
sulfatreduzierender
Mikroorganismen abhängig. Azetat, ein wichtiges Zwischenprodukt des anaeroben
Abbaus von organischem Material, wurde jedoch nicht in SRM Zellen eingebaut, was
womöglich auf eine Entkopplung von Aktivität und Wachstum zurückzuführen ist. Als
Desulfobacteraceae
klassifizierte
SRM
haben
13 C-Kohlenstoff
in
Lipidinkubationen
aufgenommen und kodierten Enzyme für den Import und intrazellulären Abbau von
Fettsäuren mittels ß-Oxidation. Zusammen deuten diese Beobachtungen darauf hin, dass
SRM in den untersuchten Sedimenten neben kurzkettiger Fettsäuren und Laktat auch
Butyrate und höhere Fettsäuren als Substrate verwenden konnten. Die Untersuchungen
anaerober Abbauwege in dieser Dissertation sind vor allem für Sedimente mit geringen
Sedimentationsraten
relevant.
In
diesen
Sedimenten
findet
ein
Großteil
der
Mineralisierung von organischem Kohlenstoff in Oberflächennähe statt. Dem gegenüber
stehen von Gletschern beeinflusste Sedimente, in denen die Sedimentation von
anorganischem Material sehr hoch ist. In diesen bis zu mehreren Metern Tiefe
vergelichsweise jungen Sedimenten, kann aufgrund hoher Metallkonzentrationen und
geringen Mengen sehr reaktiven organischen Materials ein aktiver Schwefelkreislauf
ablaufen.
Zusammenfassend wurde in dieser Dissertation die identität und Funktion von
Mikroorganismen untersucht die für den Kohlenstoffkreislauf in arktischen marinen
Sedimenten relevant sind. Weiters wurde eine Methode für die Analyse von SRM in der
Umwelt entwickelt und umfassend getestet und die Verbreitung und Ökologie dieser
wichtigen funktionellen Gruppe in Gletscher beeinflussten Sedimenten beschrieben.
Abstract
(Englisch)
Seafloor microorganisms mineralize vast quantities of organic matter from marine
primary production and are considered key players of the global carbon cycle. Of prime
importance are sulfate-reducing microorganism (SRM) that perform the respiratory
reduction of sulfate to sulfide, which on a global scale facilitates the mineralization of
12-29% of the organic matter deposited to the seafloor. Rising temperatures in the Arctic
will initially cause increased export of organic matter to the seafloor. Nevertheless, the
identities and functions of organic matter degrading microorganisms in arctic marine
sediments remain understudied.
This thesis aimed to reveal the identity, environmental distribution and genomic
repertoire of key degraders of organic matter in arctic marine sediments. To assign
specific functions to individual microbial species, arctic marine sediment microcosms
were supplemented with
13 C-labelled
substrates, e.g., spirulina bulk organic matter,
macromolecules including protein, lipids and DNA, and the degradation intermediate
acetate. The incorporation of
13 C-carbon
into DNA and microbial biomass was monitored
via DNA stable isotope probing (SIP) and catalyzed reporter deposition fluorescence in situ
hybridization
community
combined
with
dynamics and
Raman
specific
microspectroscopy,
accumulations
in
respectively.
13 C-DNA-SIP
Microbial
fractions were
investigated via next generation sequencing (NGS) of 16S rRNA amplicons. A novel NGS
pipeline for reductive bacterial-type dsrA and dsrB sequences was established to
investigate community dynamics of SRM. This novel pipeline was successfully tested on
mock communities and environmental samples and was subsequently used to capture the
diversity of SRM in the environment. The role of SRM during anaerobic organic matter
degradation was investigated by selective inhibition of SRM with molybdate and
measurements of sulfate-reduction rates, sulfate concentrations, and primary SRM
substrate concentrations, including volatile fatty acids and lactate. Furthermore,
metagenomes from several time points were sequenced and analyzed to obtain insights
into the genomic potential of selected key degraders of organic matter. In addition, the
influence of glacier run-off on the entire microbial community and the composition of SRM
in arctic marine sediments was investigated.
Members of the Psychrilyobacter genus and various Psychromonas strains were
identified as key protein and lipid degraders, respectively. Furthermore, a JTB215-related
Clostridia population was able to hydrolyze both, proteins and lipids, whereas extracellular
DNA was mainly hydrolyzed by diverse Cand. Izemoplasmatales. Genome analyses of
these key hydrolyzers indicated the potential for extra-enzymatic macromolecule
degradation and for the transport and intracellular catabolism of peptides, long-chain fatty
acids, glycerol and nucleic acids. Volatile fatty acid and lactate concentrations were
controlled by SRM during anaerobic incubations, but surprisingly no incorporation of13 C-acetate
was detected, potentially due to a decoupling of SRM activity from growth on
acetate. Interestingly, Desulfobacteraceae incorporated
13 C-labelled
lipids, which was
corroborated by the presence of fatty acid transporters and a beta-oxidation pathway in
the respective genomes. These findings indicate that SRM in arctic marine sediments
might degrade butyrate and higher fatty acids in addition to volatile fatty acids and lactate.
The anaerobic food chain investigated via microcosm experiments is most relevant in
sediments with low sedimentation rates, in which comparably high amounts of organic
matter are mineralized at or near the seafloor. In comparison, in glacier run-off influenced
sediments, burial of labile organic matter and high concentrations of metals enabled
active sulfur cycling in sediments several meters below sea floor.
In summary, this thesis identified key degraders of organic matter in arctic marine
sediments and revealed their potential metabolic functions. Furthermore, a pipeline for
the analyses of environmental SRM was developed and precisely tested and novel insights
into the microbial sulfur cycle in glacier-influenced marine sediments were obtained.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Microbial carbon cycle
Schlagwörter
(Deutsch)
Mikrobieller Kohlenstoffkreislauf
Autor*innen
Claus Pelikan
Haupttitel (Englisch)
Ecophysiology and genomics of sulfate-reducers and other necromass-degrading microorganisms in arctic marine sediments
Paralleltitel (Deutsch)
Ökophysiologie und Genomik sulfatreduzierender Mikroorganismen und anderer Mikroorganismen die für den Kohlenstoffkreislauf in arktischen marinen Sedimenten eine wichtige Rolle spielen
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
201 Seiten : Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
William Orsi ,
Bert Engelen
Klassifikation
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie
AC Nummer
AC15359957
Utheses ID
50333
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |