Ecophysiology and genomics of sulfate-reducers and other necromass-degrading microorganisms in arctic marine sediments - Pelikan, Claus (2019)
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. 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.