Degradation of marine and terrestrial organic matter in anoxic marine sediments of the Helgoland mud area

Abstract

Große Mengen organischen Kohlenstoffs marinen und terrestrischen Ursprungs sind in marinen Sedimenten abgelagert. Mikroorganismen, die diese Sedimente bewohnen, remineralisieren organischen Kohlenstoff, in dem sie große komplexe Moleküle in kleinere organische Moleküle und schließlich inorganischen Kohlenstoff abbauen. Der Prozess der Remineralisierung wird durch eine komplexe Gemeinschaft bestehend aus primären Fermentern, die große komplexe organische Stoffe nutzen, sekundären Fermentern, die Fermentationsprodukte nutzen und respiratorischen Organismen, die die Oxidation der Fermentationsprodukte mit der Reduktion von Elektronenakzeptoren koppeln, durchgeführt. Trotz der bestehenden Forschung sind viele Bakterien und Archaeen, die in der Remineralisierung von organischen Materialien involviert sind, aufgrund fehlender Isolation weitestgehend nicht charakterisiert. Während neue Daten integrierenden Studien versuchen mehr Licht in die phylogenetische Diversität zu bringen, konnten bisher nur wenige der Mikroorganismen charakterisiert werden. Diese Dissertation hat das Ziel Bakterien und Archaeen, die organischen Kohlenstoff remineralisieren, zu charakterisieren und komplexe mikrobielle Interaktionen aufzudecken. Dabei wird eine Kombination aus Anreicherungen, dem Beproben stabiler Isotope (SIP), Metagenomanalysen und der Sammlung und Analyse von weiteren Daten angewendet. In Kapitel II beschreibe ich die Anwendung eines neu entwickelten SIP, das mit kleinen Sedimentmengen durchgeführt wurde und 18O als Substrat nutzt, um aktive Mikroorganismen in situ zu detektieren. Dabei wurden Mitglieder der Klasse Desulfobulbia als dominante Organismen entdeckt, die im finalen Schritt des Abbaus organischen Materials involviert sind. Aktive heterotrophe sekundäre Fermenter, wie die Fusobacteriia, Clostridia und Bacteroidia und respiratorische Organismen wie Sva1033 wurden im Sediment entdeckt und mit Fermentationsprodukten von anderen Taxa versorgt, die im Abbau von komplexen organischen Materialien beteiligt waren. Als solche wurde, zum Beispiel eine unbeschriebene Klasse innerhalb der Thermoplasmatota entdeckt, die im Abbau von Proteinen involviert ist (Kapitel III). Die Repräsentation der EX4484-6 Klasse war bisher auf fünf Genome aus einer Ordnung beschränkt und konnte durch unsere Entwicklung einer Methode zur Datensuche und -analyse verbessert werden. Hierdurch wird die Klasse nun durch drei neue Ordnungen ergänzt. Aufgrund der geringen Abundanz dieser Gruppe in globalen küstennahen marinen Sedimenten, konnten wir die EX4484-6 Klasse der seltenen Biosphäre zuordnen. Durch funktionelle Vergleiche der Mitglieder mit anderen Thermoplasmatota, haben wir neue Funktionalität innerhalb der neuen Klasse entdeckt, die sich durch eine hohe Zahl an unklassifizierten Genen auszeichnet, die nicht in anderen Mitgliedern der Thermoplasmatota auftreten. Andere aktive primäre Fermenter waren unbeschriebene Mitglieder aus vier Ordnungen der Clostridia, die methoxylierte aromatische Verbindungen (MACs) terrestrischen Ursprungs nutzen (Kapitel IV). Diese Clostridia konnten eine große Vielfalt an verschiedenen MACs nutzen. Das metabolische Potential zeigte jedoch auch ein generelles Potential für die Nutzung andere C1-Kohlenstoffe auf und indiziert damit, dass diese Organismen auch anderen Kohlenstoff in marinen Sedimenten transformieren können. Die Ergebnisse, die in dieser Dissertation präsentiert werden, geben einen neuen Einblick in zuvor unentdeckte Mikroorganismen, die in der Remineralisierung von organischen Materialien in marinen Sedimenten involviert sind. Dabei wurden nicht nur abundante Organismen, sondern auch Organismen der seltenen Biosphäre entdeckt, die zur Remineralisierung der organischen Kohlenstoffverbindungen beitragen. Damit zeigt diese Dissertation, dass auch wenig abundante Taxa in marinen Sedimenten wichtig für den Abbau organischen Kohlenstoffs sein können. Das Auffinden von diversen kaum untersuchten Mikroorganismen und ihres neuen funktionellen Potentials deutet auf die enorme mikrobielle Diversität hin, die noch immer darauf wartet, entdeckt zu werden.