Mikrobielle Diversität von Biofilmen in Bachnetzwerken

Ein traditioneller Schwerpunkt der Ökologie ist die Studie der Biodiversität und Struktur von Lebensgemeinschaften. Dendritische Netzwerke, wie sie von Bächen und Flüssen gebildet werden, stehen erst seit kurzem im Fokus ökologischer Forschung. Einmündungen von Nebenflüssen sind wichtig für die Biodiversität von Bachnetzwerken, da sich hier die Lebensgemeinschaften von zwei Einzugsgebieten mischen. Gängige ökologische Theorien gehen von flussabwärts ansteigender Biodiversität aus und Beobachtungen von wirbellosen Tieren und Fischen bestätigen diese Voraussage. Ob ein derartiges Muster auch für Mikroorganismen existiert, ist jedoch offen. In den letzten Jahren hatte ich die Möglichkeit, einen einzigartigen genetischen Datensatz von mikrobiellen Biofilmen der wichtigsten Form von mikrobiellen Leben in Bächen im Bachnetzwerk der Ybbs (Niederösterreich) zu kreieren. Im Gegensatz zu den Voraussagen ökologischer Theorie war die Diversität der mikrobiellen Biofilme unterhalb von Einmündungen niedriger als oberhalb und nahm flussabwärts generell ab. Die genauen Kontrollmechanismen, die zu diesem Muster führen, sind jedoch unklar. Die entscheidende Rolle von Biofilmen für die biogeochemischen Kreisläufe und Ökosystem-Prozesse in Bächen macht dies zu einem relevanten Forschungsgebiet. Das Ziel dieses Projektes ist es, die Bedeutung von Nebenflusseinmündungen für die Biodiversität von mikrobiellen Biofilmen zu untersuchen und die zugrunde liegenden Kontrollmechanismen zu identifizieren. Hierzu werde ich die theoretischen Konzepte der Meta-Gemeinschaftsökologie mit einem experimentellen Ansatz verbinden, in dem ich Flusseinmündungen mit Bioreaktoren simuliere. Ein solcher experimenteller Ansatz sollte es erlauben, Unterschiede in den Umweltbedingungen oberhalb und unterhalb von Flusseinmündungen auszuschließen und so den Einfluss der Meta- Gemeinschaft auf die Diversität von Biofilmen isoliert zu betrachten. Um die Struktur der Gemeinschaft, sowie die taxonomische und funktionelle Diversität der Biofilme umfassend zu beschreiben, werde ich verschiedene moderne molekulare Methoden (Hochdurchsatz-Sequenzierung, quantitative PCR und Metagenomics) kombinieren. Die so gewonnenen Daten werden dann in ein mathematisches Modell einfließen, mithilfe dessen die Bedeutung von stochastischen demografischen Prozessen, wie sie die Neutrale Gemeinschaftstheorie vorschlägt, sowie von deterministischen Prozessen, wie Nischen-Diversifizierung und biotischen Interaktionen, ermittelt werden kann. Das Projekt soll an der Universität Glasgow in Zusammenarbeit mit Dr. Christopher Quince und Prof. Dr. William Sloan durchgeführt werden, die zu den besten Wissenschaftlern auf den Gebieten der mikrobiellen Ökologie, Bioinformatik und Gemeinschafts-Modellierung zählen. Nach meiner Rückkehr nach Österreich werde ich die erworbenen Kenntnisse auf den Datensatz der Ybbs anwenden und so die experimentellen Ergebnisse in einen breiteren ökologischen Kontext setzen. Dieses Projekt wird gleichermaßen zur mikrobiellen Ökologie, zur Bachökologie und zur allgemeinen Ökologie beitragen.

Mikroorganismen sind unentbehrlich für die Funktion aller Ökosysteme. In Bächen und Flüssen sind vor allem mikrobielle Biofilme von großer Bedeutung. Diese Biofilme sind ein wichtiger Bestandteil der Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufe und sind als solche für die Selbstreinigungskraft von Bächen und Flüssen entscheidend. Die Diversität und Zusammensetzung dieser Biofilme beeinflusst somit auch die Funktion von Fließgewässern. Eine Studie an einem Bachnetzwerk in Österreich ergab, dass die Biofilm Diversität an Zusammenflüssen von Bächen sinkt, im Gegensatz zu der Diversität von zum Beispiel Fischen. Um die Rolle dieser Knotenpunkte eines Bachnetzwerks auf die Biofilm Diversität unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen, wurde ein experimenteller Aufbau benutzt in dem die Bachzusammenflüsse nachgeahmt wurden. Anders als in dem realen Bachnetzwerk war die Biofilmdiversität in den experimentellen Zusammenflüssen höher als in den jeweiligen Zuflüssen; allerdings war sie immer noch niedriger als bei einer zufälligen Mischung der beiden Zuflüsse zu erwarten gewesen wäre. Eine Analyse der phylogenetischen Struktur legte nahe, dass Konkurrenz zwischen den verschiedenen Mikrobenarten für eine Reduktion der Diversität verantwortlich ist; in natürlichen Bachnetzwerken könnten zusätzlich Umweltfaktoren, wie Änderungen der hydrologischen Bedingungen bei Bachzusammenflüssen für die Abnahme der Diversität verantwortlich sein. Die Artenzusammensetzung in den experimentellen Zusammenflüssen wich ebenfalls stark von einer zufälligen Mischung der jeweiligen Zuflüsse ab. Die Artengemeinschaft wurde generell von den Organismen dominiert, die aus Bächen mit höheren Nährstoffkonzentrationen stammten, was auf einen deutlichen Effekt von selbst kleinen Unterschieden in Nährstoffkonzentration hinweist. Die funktionelle Diversität, gemessen in einer metagenomischen Analyse funktioneller Gene, zeigte eine Korellation zur Artendiversität, was die Bedeutung der Diversität für Ökosystemfunktionen unterstreicht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Mischung von mikrobiellen Gemeinschaften entlang von Bachnetzwerken zwar ein wichtiger Faktor für die Zusammensetzung von Biofilmen ist, die Auswirkungen auf die mikrobielle Diversität werden aber durch Konkurrenz zwischen Spezies und möglicherweise auch durch Umweltfaktoren an Bachzusammenflüssen reduziert. Ein tiefergehendes Verständnis der Mechanismen, die die mikrobielle Diversität in Bächen steuern, ermöglicht ein besseres Management von Bachökosystemen und damit den Erhalt der Ökosystemdienstleistungen, die diese bereitstellen.