Carbon cycling in (sub-) Antarctic marine anoxic sediments

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.