Bakterielle Sekundärproduktion in Augewässern Peter Peduzzi

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1 Bakterielle Sekundärproduktion in Augewässern Peter Peduzzi Institute of Ecology & Conservation Biology University of Vienna Austria

2 Aufteilung der Primärproduktion Bakterien Primärproduktion Protisten Metazoen Aggregation Sedimentation u.s.w. Peduzzi, IECB, 2003

3 Small is plentiful Prokaryoten als zahlreichste Organismen der Welt ( = g; Biomasse der Menschheit ca. 6x g! Aquatische Bakterien: ca. 3x10 28 = 100 Mio x soviel wie Sterne!) Viren als häufigste Mikroorganismen der Welt (ca ml -1 ; global ca g?) nicht-lebendes organisches Material (DOM, POM) als verbreitetstes organisches Material (im aquatischen Lebensraum meist 1-5 mg DOC l -1 ) Peduzzi, IECB, 2002

4 Pelagische Nahrungsnetze: ein revidiertes Konzept microbial loop als integraler Teil eines größeren Nahrungsnetzes inkludiert alle pro- und eukaryotischen einzelligen Organismen zusätzliche trophische Niveaus (mit jeweils CO 2 -Remineralisation) mikrobielles Nahrungsnetz als Ressource für Metazooplankton (Sherr & Sherr 1988) P. Peduzzi, IECB, 2002

5 Für den microbial loop relevante Kompartments Phytoplankton (& tw. Makrophyten) Bakterien, Archaea Heterotrophe Protisten ( Protozoa ) Viren (Bacteriophagen, Phycoviren) Anorganische Nährstoffe NLOM P. Peduzzi, IECB, 2002

6 P. Peduzzi, IECB, 2002 Einfluss des Trophiegrades auf Kompartments des microbial loop

7 Einige relevante Eigenschaften von Bakterien Hohe Abundanz in allen Lebensräumen ( the great plate count anomaly, Staley & Konopka 1985) Nehmen gelöste, niedermolekulare Substanzen auf Günstiges Oberflächen - Volumsverhältnis (größte lebende Oberfläche!) Potential für hohe Stoffwechselraten Hohe Stoffwechselvariabilität Langsame Sinkraten Hohe genetische Flexibilität P. Peduzzi, IECB, 2002

8 ANALYSE UND EIGENSCHAFTEN VON DOM Bulk -Parameter: DOC, DON, C:N-Verhältnis, stabile Isotopen, Molekulargröße (tangential flow filtration <>1kDa) Compound classes : Kohlenhydrate, Aminosäuren, spezifische Biomarker (z.b.. Ligninphenole) Optische Eigenschaften ( colored DOM): UV-ratio, Fluoreszenzeigenschaften Peduzzi, IECB, 2002

9 Molekulare Grössenverteilung von DOM in einem restaurierten, dynamischen Auabschnitt Erhöhter Anteil an niedermolekularem DOM im Gefolge von Flut-Spitzen! = alter,, abgebauter DOM? (sensu Amon & Benner 1996) DOC (HMW / LMW, %) LMW % HMW % masl 0 masl Julian days of 1999 Peduzzi, IECB, 2003

10 Abhängigkeit der bakteriellen Produktion von der DOM-Qulität in einem dynamischen Donau- Auabschnitt BSP norm.,!g C l -1 h -1 FI vs C-normalized BSP y = 8.917x r 2 = 0,24 p< ,35 1,4 1,45 1,5 1,55 specific BSP norm., fg C cell -1 h -1 FI vs C-normalized per cell BSP y = 2.703x ,25 r 2 = 0.15 p<0.01 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00 1,35 1,4 1,45 1,5 1,55 fluorescence index fluorescence index Erhöhte bakterielle Sekundärproduktion bei höherem Anteil autochthonen Materials am DOM! Peduzzi, Kargel & Schelest 2002 Peduzzi, IECB, 2002

11 Hydrologie und organisches Material in isolierten vs. dynamischen Auabschnitten diagenetic age allochthonous material water age bioavailability autochthonous material Fig. 1: Assumed origin, quality and bacterial bioavailability of organic matter at disconnected sites of a river-floodplain Unterschiedliche Mischungsdynamik zwischen allo- u. autochtonem Material Insgesamt erhöhte Produktivität in restaurierten Abschnitten diagenetic age bioavailability Signifikanter Export von diagenetisch jungem DOM?! allochthonous material autochthonous material Erhöhte microbial loop -assoziierte Bioaktivität daher auch im main stem? water age Fig. 2: Assumed origin, quality and bacterial bioavailability of organic matter under dynamically connected conditions in a river-floodplain P. Peduzzi, IECB, 2003

12 Moderne Methodik Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) und SYBR-Gold (Fluorochrom) Viren Bakterien

13 TEM (Transmission electron microscopy)

14 Lysis Produkte Recalcitrantes Material: Zellwandfragmente Labiles Material: Zellplasma, Ribosomen, Wirts-DNA Bioreaktives Material: Wirts-Enzyme, virale Lysozyme, Viren

15 Kontrolle der Bakterienabundanz in aquatischen Systemen Heterotrophe Flagellaten erklären nur 43% der Bakterienvarianz Viren erklären 69% der Bakterienvarianz Viren vorallem in eutrophen Situationen relevante Kontrollierer Weinbauer & Peduzzi 1995 P. Peduzzi, IECB, 2002

16 Eigenschaften und Auswirkungen von Viren in aquatischen Systemen Viren als Quelle von DOM ( reverse( loop ) Viren beeinflussen die Verteilung ihrer Wirtszellen können Abundanz der Wirtszellen kontrollieren können Struktur der Gemeinschaft modifizieren ( killing the winner ) Viren als Gen-Vehikel (Transduktion) P. Peduzzi, IECB, 2002

17 macrozooplankton microzooplankton DOM heterotrophic bacteria phytoplankton

18 SUSPENDED SOLIDS oft reich an organischem Material (e.g. lake, river snow )! Mikrohabitat für eine hoch-diverse und aktive Mikrobengemeinschaft! Matrix für Abbau-, Umbau- und Transportprozesse Peduzzi, IECB, 2003

19 SUSPENDED SOLIDS als signifikanter Lebensraum? In den Donau-Auen meist ca organische Partikel ml -1 (mittlerer Durchmesser ca. 10 µm, Oberfläche ca. 314 µm 2 ) ca. 3,14 mm 2-31,4 mm 2 Partikeloberfläche ml -1 ca. 31,4 cm cm 2 Partikeloberfläche L -1!! -1!! Peduzzi, IECB, 2003

20 Interaktion von Mikroorganismen mit partikulärem Material in Gewässern Partikelqualität: Sediment (mineralisch) Pflanzendetritus (Phytoplankton, höhere Pflanzen) Huminkolloide Extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) Komplexe Aggregate ( marine,( lake & river snow ) P. Peduzzi, IECB, 2002

21 Mikrobielle Besiedelung und Abbau von Pflanzendetritus in Gewässern Lytische Aktivität der besiedelnden Bakterien Protozoen-Sukzession Langsamer Abbau struktureller Polymere (Peduzzi & Herndl 1991) P. Peduzzi, IECB, 2002

22 Zusammengesetztes 3-Kanalbild eines lake Snow-Aggregats aus Donau-Augewässern Grün: Nukleinsäuren Blau: Exopolymere Substanzen (EPS) Rot: Autofluoreszenz von Chl a Rosa: EPS+Phycoerythrin (filamentöse Cyanobakterien)

23 Luef, Agis & Peduzzi 2002 Fig.4: Overlay projections of a triple stained river aggregate. The aggregate was nucleic acid-stained (SYBR Gold) = green signal. The aggregate was stained with two different Lectins: Lectin from Arachis hypogaea (TRITC) = blue signal. Lectin from Canavalia ensiformis (Alexa fluor ) = red signal. Autofluorescence of cyanobacteria was detected in the far red channel = yellow signal. Note: the structure of the aggregate was only visible with the application of the different lectins showing also the heterogeneity of the organic matrix.

24 Spezifische bakterielle Sekundärproduktion freilebender und Partikel-assoziierter Bakterien Victoria, <3µm fraction VIC1 >3µm fraction Wet season Dry season depth, m 1.5 1,5 5,0 5 10,0 25, ,5 5,0 5 15, Die bakterielle Produktion auf Partikeln ist signifikant höher als im umgebenden Wasserkörper! Hängt vom Substrat ab?! Minneriya <3µm >3µm fraction fraction Wet season 1, ,5 5.5 MIN2 Dry season depth, m 1, , , , ,8 2.8 MIN3 MIN2 MIN3 Peduzzi & Schiemer, submitted SpBSP, fg C cell -1 d -1 Peduzzi, IECB, 2002

25 Microbial loop und trophisches Gefüge in Binnen- und Küstengewässern loop reverse loop conventiona l food chain P. Peduzzi, IECB, 2002