Archaea-betriebene Nitrifikation in Süßgewässern: jahreszeitliche Dynamik, Kontrolle durch Umwelt-Viren und Fraßdruck durch Protisten

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Pester
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445467451

Die Nitrifikation beschreibt die Umwandlung von Ammonium via Nitrtit zu Nitrat. Dadurch wird Akkumulation von Ammonium in der Umwelt verhindert, was unter anderem für die Trinkwasserqualität eine wichtige Rolle spielt. Die mikrobiell katalysierte Ammoniumoxidation stellt dabei den ratenlimitierenden Schritt dar. Ammonium-oxidierende Thaumarchaeoten (AOA) sind ein wichtiger Bestandteil mikrobieller Populationen im tiefen Ozean (bis zu 40%) und in Böden (bis zu 5%). Ein ähnliches Bild zeichnet sich für tiefe oligotrophe Seen ab, wozu auch unsere eigene Forschung beigetragen hat (Herber et al., 2019). Allerdings wissen wir derzeit sehr wenig über die Ökologie dieser chemolithoautotrophen Mikroorganismen und die jahreszeitliche Variation ihrer Ökosystemdienstleistungen. Das steht im starken Kontrast zu Wissen, welches bereits über Nitrifikation in marinen Standorten und Böden gesammelt wurde. Unsere Untersuchungen zum Bodensee, der eine wichtige Trinkwasserressource für über 4 Mio. Menschen darstellt, haben ergeben, dass AOA über das Jahr hinweg 13-21% des Bakterioplanktons im Hypolimnion darstellen. Ammonium-oxidierende Bakterien waren typischerweise zwei Größenordnungen weniger abundant und Comammox-Bakterien waren nicht detektierbar. Diese Situation stellt eine einzigartige Möglichkeit dar die Ökosystemleistungen von AOA zu quantifizieren und gleichzeitig der genetischen Ausstattung eines einzigen Phylotyps zuzuordnen. Darauf basierend möchte ich mit diesem Antrag ökologischen Kontrollmechanismen der AOA-Population aufklären sowie die jahreszeitliche Variation der AOA-betriebenen Ökosystemdienstleistungen quantifizieren. Zwei Hypothesen werden getestet werden: (I) Das Ausmaß der AOA-getriebenen Nitrifikation und CO2-Fixierung folgen der Biomasseproduktion innerhalb der jährlichen Planktonsukzession. (II) AOA-Populationsgrößen werden primär durch nicht-lytische Umweltviren kontrolliert. Beide Hypothesen werden in zwei Arbeitspaketen (AP) getestet werden. AP1 hat zum Ziel die Gesamt-AOA-Population und deren metabolisch aktiven Anteil während der jährlichen Planktonsukzession zu quantifizieren. Dazu soll CARD-FISH mit einem fluoreszierenden Acetylen-Analog, welches an die Ammonia-Monooxygenase bindet, kombiniert werden. Zu ausgewählten Zeitpunkten werden die AOA-getriebene Nitrifikation und (dunkle) CO2-Fixierung über 15N-Ammonium- und 13C-Bikarbonat-Markierungsversuche quantifiziert werden. In AP2 werden FACS-sortierte AOA-Zellen auf die Rate viraler Infektionen untersucht (Elektronenmikroskopie) und auf die Identität der infizierenden Viren analysiert (Mini-Metagenome) werden. Ein ultimatives Ziel ist die Isolation des ersten Vertreters planktonischer Süßwasser-AOA und dessen Viren in Reinkultur. Parallel dazu wird der AOA-Fraßdruck durch Protozoen über CARD-FISH quantifiziert werden. Dieser Antrag wird wichtige Erkenntnisse zur Ökologie von AOA in Süßgewässern liefern und deren Ökosystemdienstleistungen erstmals systematisch quantifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen