Heterotrophe Mikroorganismen in arktischen hydrothermalen Sedimenten - die ökologische Rolle und der Einfluss ihres CAZymes-Repertoires
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Hydrothermalquellen in der Tiefsee gehören zu den extremen Lebensräumen der Erde und sind von Interesse für die marine Bioprospektion und die Entdeckung von Biodiversität. Das volle Ausmaß der heterotrophen Fähigkeiten in diesen Habitaten wird jedoch noch erforscht. Hier wurden bereits mikrobielle Enzyme gefunden, die in der Industrie dringend benötigt werden, da der Abbau komplexer organischer Materialien eine große Herausforderung darstellt. Zu diesen Materialien gehört Chitin, ein Biopolymer, das einen direkten Einfluss auf den Kohlen- und Stickstoffkreislauf im Meer hat. Daher ist es von Bedeutung, seine Auswirkungen auf die Zusammensetzung und Funktionsweise der vielfältigen heterotrophen mikrobiellen Gemeinschaft zu verstehen. Andererseits gewinnt der Einfluss synthetischer Polymere, wie verschiedener Kunststoffverbindungen, im Meer und insbesondere in der Tiefsee immer mehr an Bedeutung. Kunststoffverbindungen machen über 95 % des Mülls in den Weltmeeren aus. Diese Polymere sind z. B. aufgrund ihrer langkettigen Polymerstruktur, ihrer Hydrophobie und ihrer Kristallinität widerstandsfähig gegenüber biologischem Abbau. Einige Mikroorganismen können verschiedene Arten von Kunststoffen abbauen, die beteiligten Mechanismen oder Enzyme sind jedoch wenig erforscht. Aufgrund der intensiven und ständigen Ablagerung von Kunststoffabfällen werden Meereshabitate, insbesondere in großen Tiefen, zum Ziel der Bioprospektion von Mikroorganismen, die das Potenzial haben, sich an thermoplastische Kunststoffe anzuhaften und diese abzubauen. Hydrothermalsysteme in der Tiefsee sind reich an Kohlenwasserstoffen, die in Erdöl und Erdgas vorkommen, und stellen daher vielversprechende Standorte dar, um Mikroorganismen zu entdecken, die Kunststoffe abbauen, um durch Bioremediation die Abfallmenge zu verringern. Dieses Projekt befasst sich mit Daten von In situ-Anreicherungen mit verschiedenen Polymeren. Die Ergebnisse weisen auf Mikroorganismen und Enzyme hin, die an den jeweiligen Abbauprozessen beteiligt sind. Neben typischen heterotrophen wurden auch potenzielle neue Chitin abbauende Mikroorganismen innerhalb des nicht kultivierten Kandidatenphylums KSB1 identifiziert. Phylogenetische Untersuchungen deuten auf eine Verwandtschaft der KSB1-Kandidaten mit MAGs aus den hydrothermalen Sedimenten des Guaymas-Beckens hin, für die bereits eine Rolle beim Kohlenwasserstoffabbau beschrieben wurde. Mit Hilfe bioinformatischer Ansätze wurden verschiedene Chitin abbauende Enzyme des KSB1-Phylums identifiziert. Nach heterologer Expression und Aufreinigung zeigten die entsprechenden Enzyme eine hohe Aktivität und deuten so auf eine bedeutende Rolle von KSB1-Bakterien im Kohlenstoffkreislauf hin. Zur Erforschung des Kunststoffabbaus wurde Material aus Kurzzeit-In-situ-Inkubationen als Ausgangspunkt für gezielte Anreicherungen in Kombination mit paralleler Long-Read-Metagenomsequenzierung verwendet. So wurden aktive Anreicherungskulturen auf verschiedenen Kunststoffsubstraten erlangt. Die Ergebnisse des Projekts belegen, dass polymerabbauende Mikroorganismen in situ angereichert und wichtige Schlüsselakteure in hydrothermalen Tiefseesedimenten identifiziert wurden. Darüber hinaus sind die identifizierten Mikroorganismen wahrscheinlich an die industriellen Substrate in den Inkubationskammern angepasst und bieten somit neue Quellen für die Gewinnung von Enzymen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Insights into the chitinolytic potential of microbial communities in Arctic deep-sea hydrothermal sediments, ISME18 (Lausanne, Switzerland)
Sass, K.; Steen, I. H. & Stokke, R.
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Revealing the chitinolytic potential of microbial communities in Arctic deep-sea hydrothermal sediments, GRC Marine Microbes (Les Diablerets, Switzerland)
Sass, K.; Steen, I. H. & Stokke, R.
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Finding Mohn’s Treasure: evidence of deep hydrothermal activity at a supposedly extinct seafloor sulfide deposit. Goldschmidt2023 abstracts. European Association of Geochemistry.
Boonnawa, Chanakan; Reeves, Eoghan; Pereira, Samuel; Viflot, Thomas; Samin, Apolline; Eilertsen, Mari; Sass, Katharina; Stokke, Runar; Steen, Ida & Ribeiro, Pedro
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Heterotrophic microorganisms in Arctic hydrothermal sediments - the ecological role and impact of their CAZymes repertoire, Science by the Sea (Annual meeting of the Centre for Deep Sea Research, University of Bergen, Bergen, Norway)
Sass, K.
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Microbes from the Arctic deep ocean: A resource for plastic bioremediation, BIOPROSP2023 (Tromsø, Norway)
Sass, K.; Chow, J.; Perez Garcia, P.; Streit, W. R.; Steen, I. H. & Stokke, R.
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Microbiome reconstruction of in situ incubations reveal key players in chitin degradation in Arctic hydrothermal deep-sea sediments, FEMS2023 (Hamburg, Germany)
Sass, K.; Arsin, H.; Fedøy, A.-E.; Stokke, R. & Steen, I. H.
