Carbon cycling in (sub-) Antarctic marine anoxic sediments

Abstract

Im marinen Sediment stellt die anaerobe Zersetzung organischen Kohlenstoffs durch eine mikrobielle Gemeinschaft einen wichtigen Teil des globalen Kohlenstoffzyklus dar. Die Folgen der globalen Erwärmung sind in den marinen Sedimenten der polaren Regionen bereits jetzt deutlich wahrnehmbar. Die Temperatur steigt und beschleunigtes Abschmelzen der Gletscher führt durch Gletscherschmelzwasser zu einem erhöhten Eintrag von Nährstoffen wie Metalloxiden in die Sedimente. Da diese Metalloxide als terminale Elektronenakzeptoren für anaeroben organischen Kohlenstoffabbau dienen können, wird ein Einfluss der beschriebenen Änderungen auf jene Prozesse und die assoziierten Mikroorganismen vorausgesagt. Änderungen können allerdings nur sinnvoll vorausgesagt werden, wenn der aktuelle Status des untersuchten Systems verstanden wurde und insbesondere marine Sedimente in der Antarktis sind bisher kaum untersucht worden. Die Sedimente der in dieser Dissertation untersuchten Gebiete, Potter Cove auf der König- Georg-Insel/Isla 25 de Mayo an der Westantarktischen Halbinsel und Südgeorgien im Südatlantik, werden stark durch schmelzende Gletscher beeinflusst. Ich habe die mikrobielle Gemeinschaft und Geochemie in situ untersucht, fokussiert auf den finalen Kohlenstoffabbau. Zusätzlich habe ich in simplen Inkubationsexperimenten und Inkubationen mit stabiler Isotopenbeprobung (stable isotope probing: SIP) auf RNA-Level die acetatabbauenden Mikroorganismen untersucht und Eisenoxide, Manganoxide und Sulfat als terminale Elektronenakzeptoren getestet. Eisenoxide und, wenn zugesetzt, auch Manganoxide, dienten als Elektronenakzeptoren für die Acetatoxidierung. Der hauptsächlich verantwortliche Mikroorganismus für die Eisenreduktion in allen untersuchten Sedimenten war der unkultivierte Sva1033 (Desulfuromonadales). Dies ist der erste experimentelle Nachweis für eine Stoffwechselfähigkeit dieser kaum untersuchten Gruppe. Da Sva1033 der dominante eisenreduzierende Mikroorganismus in situ und in RNA-SIP Inkubationen, sogar bei höheren Temperaturen, war, konnte ich ihn als Schlüsselart für Acetatoxidation in den untersuchten Umgebungen identifizieren. Des Weiteren konnte durch acetatabbauende SIP Experimente eine mikrobielle Gemeinschaft gezeigt werden, die über einen weiten Temperaturgradienten aktiv war, zum Beispiel die Mikroorganismen Sva1033 und Desulfuromonas. Andere Mikroorganismen waren nur bei bestimmten Temperaturen aktiv, zum Beispiel Arcobacteraceae bei niedrigen und Desulfuromusa bei hohen Temperaturen. Desulfuromusa war zusätzlich der dominierende Mikroorganismus, der bei niedriger in situ Temperatur Manganoxide reduziert und Acetat oxidiert hat. Trotz ihrer hohen Abundanz in den in situ Sedimenten, schienen sulfatreduzierende Mikroorganismen in all den durchgeführten Experimenten nicht zur Acetatoxidation beizutragen, waren allerdings in mehreren SIP Experimenten im Hintergrund vorhanden. Des Weiteren konnten SIP Experimente keinen autotrophischen Lebensstil der Sulfatreduzierer zeigen, obwohl Sulfatreduktion durch Acetat- und Wasserstoffzugabe stimuliert werden konnte. Auch die durch Sulfatreduzierer verwendeten Elektronendonoren bleiben schwer zu fassen und weitere Untersuchungen sind notwendig. Stattdessen wurde ein potentiell neuer Bakterienstamm von Sulfurimonas in SIP Experimenten mit den höchsten Sulfatreduktionsraten identifiziert, welcher einen anaeroben, psychrophilen Lebensstil vollführt und Acetat und CO2 assimiliert hat. Ich schlage Sulfid als genutzten Elektronendonor und Syntrophie mit einem anderen Mikroorganismus als elektronenakzeptierenden Partner vor, allerdings werden weitere Experimente benötigt um diese Hypothesen zu bestätigen und weiteres Licht auf den durch den Mikroorganismus durchgeführten Metabolismus zu werfen. Durch Beschreibungen und vorausgesagte Stoffwechselaktivitäten der mikrobiellen Gemeinschaft in gletscherbeeinflussten, marinen Sedimenten der Antarktis tragen die Untersuchungsergebnisse dieser Dissertation zum Forschungsfeld der anaeroben Mikroorganismen in marinen Sedimenten bei. Aufgrund meiner Forschungsergebnisse halte ich es für wahrscheinlich, dass die organische Materialien zersetzende mikrobielle Gemeinschaft stark durch vom Gletscherschmelzwasser eingetragene Nährstoffe beeinflusst wird und dadurch höchst sensibel auf zukünftige Änderungen in dieser durch globale Erwärmung beeinflussten Umwelt reagieren könnte.