Bakteriengruppen und Phosphor in Hochgebirgsseen

Hochgebirgsseen oberhalb der Waldgrenze sind oligotrophe Ökosysteme, die durch einen geringen Gehalt von gelöstem Kohlenstoff sowie geringe Nährstoffkonzentrationen gekennzeichnet sind. In der zentralalpinen Region Westösterreichs sind außerdem sehr geringe Mengen von anorganischem Phosphor vorhanden, und selbst der gesamte gelöste Phosphorgehalt liegt meist unter 0.1 M. Es hat sich gezeigt, dass Phosphor für die bakterielle Produktion in diesen Ökosystemen ein limitierender Faktor ist und dass die ubiquitäre R-BT Gruppe der Betaproteobacteria bei einer Zunahme von Phosphor die vorliegende Bakteriengesellschaft dominiert. Wie die unterschiedlichen Bakteriengruppen/Stämme mit dieser Phosphorknappheit zurechtkommen ist aber nahezu unbekannt und nicht ausreichend untersucht. Ziel dieses 3-jährigen Projektes ist es, die Strategien der einzelnen Bakteriengruppen im Umgang mit den gegebenen geringen Phosphorkonzentrationen zu ermitteln. Dazu wird auf vier unterschiedliche Aspekte abgezielt, die in einem engen Zusammenhang stehen. (1.) Es soll die Frage geklärt werden, welche Bakteriengruppen anorganischen bzw. organischen Phosphor aufnehmen. Dazu wird ATP als Model-Phosphoester verwendet. In der Folge (2.) wird untersucht, von welchen Bakteriengruppen die einzelnen gelösten organischen Phosphorverbindungen verwertet werden. Unterschiedliche Transport- und Aufnahmemechanismen (direkt versus enzymatische Zerlegung) können dabei identifiziert werden; (3.) haben wir zum Ziel, die Enzymexpression von Bakteriengruppen in situ und nach Zugabe von Model-Phosphorquellen unterschiedlicher Stöchiometrie (z. B. Niederschlag) festzustellen. Schließlich (4.) soll geklärt werden, wie die Elementzusammensetzung der Phosphorquelle die Stöchiometrie von Bakterien in den Hochgebirgsseen und im Vergleich in Seen unterhalb der Waldgrenze beeinflusst. Zur Erfüllung dieser Ziele werden Forschungen im Feld an verschiedenen Seen und im Labor mit einer Auswahl von unterschiedlichen Methoden wie "single-cell" und molekularer Methoden (metatranscriptomics), Mikroautoradiographie(MAR), Fluoreszenz-in situ-Hybridisierung (CARD-FISH) und Durchflusszytometrie/Zellsortierung durchgeführt werden, um Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung der bakteriellen Gesellschaft und ihrer Funktion zu verstehen. Die im Rahmen dieses Projektes durchgeführten Forschungen werden einen signifikanten Fortschritt in der Charakterisierung von Bakteriengruppen/Stämme mit einer Schlüsselfunktion im Kreislauf von anorganischen Phosphor und diversen organischen Phosphorverbindungen in Hochgebirgsseen und den zu Grunde liegenden Transport- und enzymatischen Mechanismen bringen. Außerdem wird aufgezeigt werden, ob die Zusammensetzung der verfügbaren Phosphorquellen die Stöchiometrie der Bakterien verändert. Die Ergebnisse werden fundamental zu einem besseren Verständnis des Phosphorkreislaufs in Bergeseen und generell in Süßwassersystemen führen.

Das Ziel dieses Projektes war es zu verstehen, welche ökologische Rolle den Süßwasser Bakterien in der Aufnahme von anorganischen und organischen Phosphorverbindungen zukommt und welche Strategien unterschiedliche Bakteriengruppen verfolgen, um auch bei niedrigen Phosphorkonzentrationen in Bergseen kompetitiv zu sein. Weiters wollten wir den Einfluss klimabedingter Verschiebungen der Vegetation (Baumgrenze) und die einhergehende Veränderung der Bodenzusammensetzung auf die Bakteriengemeinschaft und deren Funktion im See untersuchen. Phosphor ist ein lebensnotwendiger Nährstoff, der in vielen metabolischen Stoffwechselwegen benötigt wird, wie zum Beispiel in der Energiegewinnung, Nukleinsäure (DNA) und Phospholipid Synthese (Zellwand). Der besonders niedrige Phosphorgehalt in Bergseen limitiert aber das Algen- und Bakterienwachstum. Heterotrophe Bakterien spielen eine zentrale Rolle im Nährstoff Kreislauf von aquatischen Ökosystemen. Sie verwerten totes organisches Material zu Biomasse und liefern so wiederum höheren Organismen Energie und Nahrung (z.B. Zooplankton, Fisch). Obwohl Phosphor eine entscheidende Rolle im Wachstumsverhalten von aquatischen Bakterien spielt, ist sehr wenig über die Identität von Süßwasser Bakterien in der Aufnahme von verschiedenen Phosphorverbindungen bekannt. Durch kultivierungsunabhängige Methoden erhielten wir erste Einblicke in die Phosphordynamik von Bergseen und fanden verschiedene Strategien wodurch Bakterien unter besonders niedrigen Phosphorkonzentrationen kompetitiv sein können. Es hat sich zum Beispiel herausgestellt, dass die Phosphoraufnahme von verschiedenen Bakteriengruppen nicht immer ihrem Wachstumsverhalten entspricht. So scheint es, dass langsam wachsende Bakterien (AcI Actinobakterien) einen besonders niedrigen Phosphorbedarf haben, was ihre Vorreiterrolle und hohe Abundanz in den Bergseen erklären könnte. Andere, schneller wachsende Bakterien wie zB. der R-BT Cluster der Betaproteobakterien, zeigten hingegen eine gemäßigte oder übermäßige Aufnahme von verschiedenen Phosphorverbindungen, was nur logisch ist, denn für (schnelles) Wachstum ist Phosphor unabdingbar. Ihre schnelle und effiziente Phosphoraufnahme könnte erklären, warum sie unter bestimmten Bedingungen (viel organisches Material, hohe Phosphorkonzentrationen) in der Lage sind, die Seen Bakteriengemeinschaft zu überwachsen. Diese Informationen sind insofern relevant, da klimatische Veränderungen den Nährstoffeintrag und damit die Ökologie der Seen stören könnte. Nährstoffe die durch den Regen aus dem Boden in den See gespült werden, sind eine wichtige Phosphorquelle für Bakterien. In einem weiteren Experiment konnten wir zeigen, dass klimabedingte Veränderungen der Vegetation (Baumgrenze) und der Bodenzusammensetzung, die Bakteriengemeinschaft und deren Funktion im See erheblich beeinträchtigt. Die Veränderungen von Boden in Bezug zur Phosphor- und Kohlenstoff-Bioverfügbarkeit könnten das Bakterienwachstum erheblich begünstigen und somit den Kohlenstoff und Phosphor Kreislauf des Sees verändern.