Ökologische Diversität von Polynucleobacter Bakterien

Für die Durchführung vieler ökologischer Studien, ist die Wahl geeigneter Taxa eine wichtige Voraussetzung. Die ausgewählten Taxa (z.B. Spezies, Gattungen, höhere systematische Einheiten, oder ökologische Gilden) sollten bezüglich der Fragestellung der Studie eine ökologisch kohärente Gruppe darstellen. Bei der Untersuchung der Ökologie von Bakterien, steht die Wissenschaft jedoch vor einem Dilemma. Derzeit ist kaum etwas über die ökologische Diversität innerhalb vergleichsweise enger Verwandtschaftsgruppen, wie z.B. Bakterienarten, bekannt. Erschwerend kommt hinzu, dass der weit überwiegende Teil (möglicherweise > 99%) der Bakteriendiversität noch nicht wissenschaftlich bearbeitet wurde und daher die Mehrheit der in der Umwelt vorhandenen Bakterien keiner beschriebenen Art zugeordnet werden können. In diesem Projekt soll exemplarisch untersucht werden, ob eine monophyletische, artähnliche Gruppe von eng verwandten Bakterienstämmen eine ökologisch kohärente oder eine ökologisch diverse Gruppe darstellt. Die ausgewählten Bakterienstämme gruppieren sich um eine beschriebene Art (Polynucleobacter necessarius), und sind nach dem bakteriologischen Artkonzept wahrscheinlich dieser Art zugehörig (Untersuchungen hierüber sind derzeit im Gange). Diese Bakteriengruppe wurde, unter anderem, aufgrund ihrer großen ökologischen Bedeutung im Plankton von Seen, Teichen und Flüssen für dieses Projekt ausgewählt. Die ökologische Vielfalt in dieser Bakteriengruppe soll vor allem durch die Charakterisierung der trophischen Nische von Vertretern, die ökologisch unterschiedliche Habitate (pH Wert, Wasserhärte, etc) bewohnen, erfolgen. Hierzu sollen Felduntersuchungen mit natürlichen Populationen sowie Laboruntersuchungen mit kultivierten Vertretern durchgeführt werden.

Bakterien sind die häufigsten Lebewesen in Gewässern (Seen, Flüsse und Meere) und im Boden (natürliche und landwirtschaftliche Standorte). So enthält ein Liter Wasser aus einem gewöhnlichen, unverschmutzten See mehr als eine Milliarde Bakterien. Bakterien sind integrale Bestandteile aller Ökosysteme und üben ökologische Funktionen aus, die für das jeweilige Ökosystem essentiell sind. Nur ein relativ kleiner Anteil der in den verschiedenen Ökosystemen vorhandenen Bakterienarten konnte bisher beschrieben und benannt werden. Für viele dieser beschriebenen Arten deutet sich an, dass sie eine sehr weite Verbreitung haben, häufig sogar auf allen Kontinenten zu finden sind (kosmopolitische Verbreitung), und darüber hinaus sogar sehr unterschiedliche Ökosysteme (z.B. saure Moorseen und kalte Gebirgsseen) besiedeln. Eine so weite Verbreitung und eine so große ökologische Toleranz sind bei höheren Organismen so gut wie gar nicht zu finden. Daher ergibt sich die Frage, ob diese Bakterienarten aus Untergruppen bestehen, die sich deutlich in ihren ökologischen Eigenschaften (z.B. Anpassungen an den Chemismus von Gewässern) und ggf. auch in ihrer ökologischen Funktion unterscheiden. Wir haben diese Fragestellung an der Bakterienart Polynucleobacter necessarius (Betaproteobacteria), die weltweit im Plankton sehr unterschiedlicher Gewässer gefunden wurde, untersucht. Eine systematische Untersuchung von Gewässern im Salzkammergut ergab, dass die Art in allen 60 untersuchten Gewässern vorhanden war. Dies schließt die großen Seen (z.B. Attersee), kleine Tümpel, saure Moorgewässer und Pfützen auf Forstwegen ein. Die Entwicklung einer neuen Methode zur Detektion verschiedener Untergruppen der Art P. necessarius, die auf der im Projekt durchgeführten genetischen Charakterisierung der Art aufbaut, ermöglichte die Untersuchung der Verbreitung der Untergruppen im Salzkammergut und in anderen Gebieten. Diese Untersuchungen zeigten, dass zumindest manche Untergruppen an bestimmte Gewässertypen gebunden sind und z.B. nur in sauren Moorgewässern im Bergland vorkommen. Andere Untergruppen waren nur in Gewässern mit pH-Werten im alkalischen Bereich (alle großen Seen im Salzkammergut) nachzuweisen. Die Ausweitung der Untersuchungen auf andere Regionen wie z.B. die Antarktis (Zusammenarbeit mit Prof. Antonio Camacho, Universität Valencia, Spanien) erbrachte Hinweise auf eine endemische P. necessarius Untergruppe in antarktischen Seen, die in Österreichischen Gewässern nicht gefunden werden konnte. Andere P. necessarius Untergruppen konnten nur in den Tropen (Afrika, Asien und Südamerika) gefunden werden (Kooperationen mit verschiedenen Wissenschaftlern). Untersuchungen zur ökologischen Funktion von P. necessarius ergaben, dass die in den verschiedenen Gewässertypen vorhandenen Untergruppen zum Teil unterschiedliche Funktionen ausüben. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die untersuchte Bakterienart eine ökologisch sehr (!) heterogene Gruppe darstellt und dass eine vergleichbare Heterogenität auch bei vielen anderen Bakterienarten zu erwarten ist. Diese muss bei zukünftigen Untersuchungen über die Vielfalt (Diversität) der Bakterien sowie bei ökologischen Untersuchungen berücksichtigt werden.