Mikrobielle und virale Schleife in aquatischen Sedimenten

Forschungsprojekt P 14220Mikrobielle und virale Schleife in aquatischen SedimentenBranko VELIMIROV06.03.2000 Seit der Formulierung des Konzeptes der "Mikrobiellen Schleife" (`microbial loop`) und der Erkenntnis, daß virenbedingte Lyse von Bakterien einen zusätzlichen Regulationsfaktor für die Bakterienproduktion bildet, hat sich das Verständnis über die Funktion von Energieflüssen in aquatischen Ökosystemen grundlegend verbessert. Allerdings stammen die Ergebnisse, die die Funktion der mikrobiellen und viralen Schleife beschreiben, überwiegend aus Studien in der Wassersäule sowohl von marinen als auch von limnischen Systemen. Die aus diesen Studien abgeleitete These der mikrobiellen Schleife wurde bisher noch nie gründlich auf ihre Anwendbarkeit auf die angrenzenden aeroben Sedimentsysteme getestet, über die Beziehung Viren -Bakterien in solchen Systemen gibt es überhaupt keinerlei Untersuchungen. Daraus leitet sich die Arbeitshypothese ab, a) daß entweder solche Beziehungen für die Mitglieder der mikrobiellen Gemeinschaft in aquatischen Sedimenten gar nicht existieren, und daß folglich ein neuer konzeptioneller Rahmen für, die Interpretation der beobachteten Prozesse und für die Entwicklung von Modellen zur Vorhersage von Richtung und Gi-613enordnung des Energieflusses in aquatischen Sedimenten definiert werden muß, oder b) daß generell zuwenig Daten über die Struktur und die stattfindenen Prozesse innerhalb der mikrobielle Gemeinschaft im Sediment vorhanden sind, und daß bisher keine zufriedenstellende experimentelle Annäherung an die Frage nach der Gültigkeit des Konzepts der mikrobiellen Schleife für aquatische Sedimente gelungen ist. Ziel unserer Studie ist es zu untersuchen, ob die einzelnen Mitglieder des mikrobiellen Kompartiments von aeroben aquatischen Sedimenten ausgehend vom Konzept der mikrobiellen Schleife eine vergleichbare Rolle haben wie in der Wassersäule. Schwerpunkte der Untersuchung sind 1) Fraßdruck der Protozoen auf die Bakterien und Remineralisation durch die Protozoen, und ob diese Prozesse von quantitativer Bedeutung für das mikrobielle Kompartiment sind, II) die Rolle der Lyse durch Viren in der Kontrolle der bakteriellen Sekundärproduktion, III) die Faktoren, die die bakterielle Abundanz und Produktion regulieren, wenn die beiden zuvor genannten Großen (Predation und Lyse) keinen relevanten Einfluß haben, und IV) die Rolle der benthischen Meiofauna in der Kontrolle der Produktion von Bakterien, Protozoen und Viren. Diese Studie ist der erste Versuch, das Konzept des `microbial loop` auf seine Gültigkeit auch für aerobe aquatische Sedimente zu testen, wobei die Intergration der Bakteriophagen als entscheidender Schritt zu einem besseren Verständnis der Funktion des rnikroblellen Systems anzusehen ist. Die experimentelle Verbindung von m1krobleller und viraler Schleife stellt einen bisher vernachlässigten Ansatz bei der Untersuchung der qualitativen und quantitativen Zusammenhänge innerhalb des mikrobiellen Kompartiments in aquatischen Sedimenten dar.

Das Konzept der "Mikrobiellen Schleife" welches durch jenes der "Viralen Schleife" ergänzt wurde, hat das Verständnis über die Funktion von Energieflüssen in aquatischen Systemen grundlegend verändert und verbessert. Da diese Konzepte auf Beobachtungen und Experimenten für die Wassersäule basieren und niemals in Sedimentsystemen auf ihre Funktionalität geprüft wurden, sollte eine Untersuchung der mikrobiellen Zusammenhänge in der aeroben Sedimentschicht von aquatischen Systemen die Anwendbarkeit der besagten Konzepte prüfen. Es konnte gezeigt werden, daß die mikrobiellen Zusammenhänge, die die mikrobielle und virale Schleife charakterisieren, auch in aquatischen aeroben Sedimenten funktionell sind. Das Ausmaß der Prozesse bezüglich Kohlenstoff /Energieflüsse ist allerdings sehr gering und im Vergleich zu den Vorgängen in der Wassersäule vernachlässigbar. Einige Ergebnisse, die im Rahmen dieser Untersuchung für limnische Sedimente erarbeitet wurden, sollten speziell erwähnt werden: das bakterielle Kompartiment erwies sich als sehr dynamisch, mit Populationsverdopplungszeiten von 0.6 bis 10 Tage über das Jahr und folglich vergleichbar mit jenen aus der Wassersäule. Jedoch war der Beweidungsdruck durch die bekannten bakterivoren Organismen äußerst gering. Heterotrophe Nanoflagellaten (HNF) und Ciliaten konsumierten zwischen 0-14% der bakteriellen Sekundärproduktion mit einem Mittel von 4%. Dieser unerwartet geringe Einfluß der bakterivoren Protozoen ist durch die geringen Abundanzen von HNF und Ciliaten bedingt, die ihrerseits von der Meiofauna unter starkem Beweidungsdruck (Top down control) stehen. Trotz dieser geringen Kontrolle der Bakterien durch die Mikroprotozoen, bleibt die Bakterienabundanz über das Jahr relativ konstant, wodurch sich die Frage nach den Regulationsfaktoren für die Bakterien neu stellt. Eine detaillierte Untersuchung des viralen Kompartimentes bezüglich der erwarteten Funktion als Kontrollmechanismus der bakteriellen Produktion brachte ein überraschendes Ergebnis: Es konnte gezeigt werden, daß Viren, bzw Phagen nur in einem geringen Maße an der Mortalität von Sedimentbakterien beteiligt sind. Im Jahresmittel werden bestenfalls 6% der gesamten Bakterienproduktion durch Lyse kontrolliert. Folglich bleibt zu erklären was mit den verbleibenden 70-75% der bakteriellen Sekundärproduktion im aeroben Sediment von aquatischen Systemen geschieht.