Untersuchung und Quatifizierung des mikrobiellen Abbaus von allochthonem organischen Material durch "Priming" (MicroPrime)
Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In MicroPrime wurde der mikrobielle OM-Abbau in Binnengewässern unter Berücksichtigung der OM Quantität und Qualität (insbesondere der Stöchiometrie) unter gleichbleibenden als auch sich verändernden Umweltbedingungen auf unterschiedlichen Skalen untersucht. In den groß-skaligen Mesokosmosexperimenten konnten wichtige Faktoren, wie z.B. Nährstoffverfügbarkeit und damit die Stöchiometrie des OM als wichtige Kontrollfaktoren identifiziert werden. Während in marinen Systemen auch die C-Verfügbarkeit durch die momentane und zukünftige Ozeanversauerung bestimmt wird, scheinen Extremereignisse, z.B. Stürme, die Nährstoffverfügbarkeit in geschichteten Seen zu verändern. Ein erhöhter Nährstoffeintrag aus den tieferen Schichten führte zu einer Massenentwicklung des Cyanobakteriums Dolichospermum flos-aquae in den durchmischten Mesokosmen im Stechlin-Seelabor. Die Durchmischung hatte durch Veränderungen in der OM Quantität und Qualität einen starken Einfluss auf den mikrobiellen OM-Abbau und damit die gesamte C-Sequestrierung, selbst nach >6 Wochen nach dem Sturmereignis. Mittels neuer Durchfluss-Rolltanks konnten wir eine hohe mikrobielle Dynamik auf partikulärem OM mittels Expression von funktionellen Genen nachweisen. Dabei war auffällig, dass es kaum zu einer zeitlichen Sukzession in der Expression von Genen kam, die im C-Kreislauf beteiligt sind. Dies deutet auf eine relativ gleichbleibende OM- Qualität in den Durchflusstanks hin, da sie keine geschlossenen Systeme darstellen, sondern auch die Aggregation von frischem OML aus dem See ermöglichen. Diese Studie zeigt eindeutig die Vorteile der Durchfluss-Rolltanks zur Simulation der natürlichen OM-Abbauprozesse und der bedeutenden Rolle von aquatischen Pilzen in aquatischen Systemen. Obwohl wir keinen eindeutigen „Priming Effekt“ im Rahmen von MicroPrime nachweisen konnten, konnten wir zeigen, dass labiles OML von totem Zooplankton weitreichende Folgen für die mikrobielle Dynamik, insbesondere der C- Remineralisation hat. Aufgrund methodischer Probleme konnte jedoch das Wechselspiel zwischen OML- und OMR-Abbau nicht ausreichend entschlüsselt werden, dies gelang erst in einer nachfolgenden Studie (Neubauer et al., submitted to ISMEJ, Anlage IV), die einen eindeutigen und quantifizierbaren „Priming-Effekt“ zeigte. Im laufenden Projekt war es leider nicht möglich OML- und OMR gleichzeitig mit stabilen Isotopen zu markieren, wie ursprünglich geplant. Dies wäre in der Tat ein großer Schritt vorwärts, um den „Priming-Effekt“ unter unterschiedlichen Umweltbedingungen zu quantifizieren. Dies versuchen wir zurzeit in weiteren Studien. Sehr erfolgreich waren die zahlreichen Laborexperimente mit definierten, neu-isolierten Mikroorganismenkulturen, insbesondere aquatischen Pilzen. Diese Experimente beleuchten verschiedenste Mechanismen von Pilzen, polymeres OM in Gewässern abzubauen, z.B. durch das Vorhandensein der Fenton-Reaktion in Anwesenheit von Eisen sowie ihrer vielfältigen enzymatischen Kapazität - gerade im Gegensatz von Oomycetes, die eher Opportunisten zu sein scheinen. Die Kombination von Labor und Freilandversuchen, wie wir sie in weiteren Projekt-relevanten Studien durchgeführt haben (Anhang I), zeigt die besondere Rolle des terrigenen OMR-Eintrages sowie der Pilze im aquatischen OM-Abbau - im Vergleich zu den Bakterien. Diese Studien des Projektes haben die Tür für eine völlig neue Forschungsrichtung geöffnet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017) Ocean acidification impacts bacteria–phytoplankton coupling at low-nutrient conditions, Biogeosciences, 14, 1–15
Hornick, T., Bach, L. T., Crawfurd, K. J., Spilling, K., Achterberg, E. P., Woodhouse, J. N., Schulz, K. G., Brussaard, C. P. D., Riebesell, U., Grossart, H.-P.
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(2017) Transformation of humic substances by the freshwater Ascomycete Cladosporium sp. Limnol. Oceanogr., 62 (5): 1955–1962
Rojas-Jimenez, K., Fonvielle, J., Ma, H. Grossart, H.-P.
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(2018) Organic Particles: Heterogeneous Hubs for Microbial Interactions in Aquatic Ecosystems. Frontiers in Microbiology 9, 2569
Bižić-Ionescu, M., Ionescu, D., Grossart, H.-P.
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(2019) Effects of zooplankton carcasses degradation on freshwater bacterial community composition and implications for carbon cycling. Environmental Microbiology 21(1): 34-49
Kolmakova, O.V., Gladyshev, M.I., Fonvielle, J.A., Ganzert, L., Hornick, T., Grossart, H.-P.
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(2019) Fungi in aquatic ecosystems. Nature Reviews Microbiology, 17: 339–354
Grossart, H.-P., Van den Wyngaert, S., Kagami, M., Wurzbacher, C., Cunliffe, M., Rojas-Jimenez, K.
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(2019) The contrasting roles of aquatic fungi and oomycetes in the degradation and transformation of polymeric organic matter. Limnol. Oceanogr. 64: 2662– 2678
Masigol, H., Khodaparast, S.A., Woodhouse, J.N., Rojas‐Jimenez, K., Fonvielle, J., Rezakhani, F., Mostowfizadeh‐Ghalamfarsa, R., Neubauer, D., Goldhammer, T., Grossart, H.-P.
