Marine Schwämme (Phylum Porifera) sind sessile Invertebraten, deren Biomasse bis zu 60% aus Mikroorganismen bestehen kann. Während die mikrobielle Diversität in Schwämmen in den letzten Jahren recht gut beschrieben wurde, weiß man noch sehr wenig über mögliche Funktionen und Interaktionen zwischen Schwamm-assoziierten Mikroorganismen mit ihren Wirten. Das Ziel dieser Promotionsarbeit war es, den Prozess der mikrobiellen Nitrifikation im bakterienhaltigen Mittelmeerschwamm Aplysina aerophoba nachzuweisen und im Kontext der Symbiose näher zu untersuchen. Die Nitrifikation beschreibt die zweistufige Oxidation von Ammoniak zu Nitrit und weiter zu Nitrat und wird von bestimmten Mikroorganismen zur Energiegewinnung durchgeführt. Um dieser Fragestellung nachzugehen, wurden physiologische Untersuchungen an lebenden Schwämmen während Freilandexkursionen nach Rovinj (Kroatien) durchgeführt. Frisch gesammelte Schwämme wurden zu unterschiedlichen Jahreszeiten in experimentellen Aquarien jeweils über einen Zeitraum von über 24 Stunden gehältert. Die Konzentrationen von Ammonium, Nitrit und Nitrat wurden in Zeitintervallen mittels photometrischer Nachweise gemessen und die Aufnahme- und Exkretionsraten berechnet. Nitrit wurde in keinem der Experimente messbar ausgeschieden. Ammonium, als natürliches Stoffwechselendprodukt mariner Schwämme, wurde von A. aerophoba in Raten ausgeschieden, die saisonal variabel waren. Im Frühjahr wurde keine Ammonium-ausscheidung beobachtet während die Exkretionsrate zum Sommer hin stetig anstieg. Nitrat, welches natürlicherweise nur durch mikrobielle Nitrifikation entstehen kann, wurde saisonunabhängig konstant ausgeschieden. Ammoniumaufnahme-Experimente zeigten auf, dass Ammonium im Frühjahr rasch aufgenommen wurde und dass Ammonium die Nitratexkretionsrate bis zu vierfach stimulierte, wohingegen im Sommer keine Ammoniumaufnahme und keine Stimulation der Nitratexkretion stattfanden. Durch Zugabe des spezifischen Inhibitors der Nitrifikation, Nitrapyrin, konnte die Nitratexkretion in A. aerophoba vollständig gehemmt werden. Im Gegensatz zu bakterienhaltigen Schwämmen zeigten sogenannte bakterienfreie Schwämme erwartungsgemäß keine Nitratausscheidung. Das 16S rRNA- und das amoA-Gen wurden als molekulare Marker verwendet, um nitrifizierende Mikroorganismen in Schwämmen phylogenetisch zu identifizieren. Es konnten zahlreiche 16S rRNA-Gene aus insgesamt sechs Schwammarten inklusive Aplysina aerophoba amplifiziert und dem marinen Nitrosospira Cluster 1 zugeordnet werden. Aus A. aerophoba konnten auch Nitrosospira amoA-Gensequenzen gewonnen werden. Archaeale 16S rRNA- und amoA-Gensequenzen wurden ebenfalls aus A. aerophoba gewonnen, wobei die 16S rRNA-Gene mit anderen aus Schwämmen stammenden Sequenzen ein Schwamm-spezifisches Cluster innerhalb der Crenarchaea Gruppe I.1A bildeten. Unter Verwendung spezifischer Fluoreszenz-markierter 16S rRNA Sonden konnten den Nitrosospira Cluster 1 und Crenarchaea Gruppe 1 zugehörige Zellen innerhalb des mikrobiellen Konsortiums aus A. aerophoba nachgewiesen werden. Basierend auf der geschätzten Menge nitrifizierender Mikroben in der Schwammmesohylmatrix und den Nitratexkretionsraten wurde eine zellspezifische Ammoniakoxidationsrate von 1,6 fmol Zelle-1 h-1 errechnet. Der Nachweis von 16S rRNA- oder funktionellen Genen des anaeroben mikrobiellen N-Kreislaufs in A. aerophoba verlief negativ. Darüber hinaus wurde eine in vorherigen Arbeiten aus dem mit A. aerophoba assoziierten mikrobiellen Konsortium erstellte Metagenombank auf das Vorhandensein von funktionellen (amoA) Nitrosospira- und Crenarchaea-Genen untersucht. Aus der Sequenzierung des archaealen Metagenomklons 58F6 resultierte die Sequenz des kompletten AMO-Operons eines möglicherweise Schwamm-spezifischen Crenarchaeoten. Diese Ergebnisse liefern erste funktionelle Einblicke in die komplexen Stoffflüsse und Wechselwirkungen zwischen Schwämmen und den mit ihnen assoziierten mikrobiellen Konsortien. Aufgrund dieser Arbeit wurde ein Modell des Stickstoffkreislaufs in A. aerophoba erstellt, welches die Mikroorganismen mit möglichen Stoffwechselfunktionen in dem Wirtsschwamm verknüpft. Diese Arbeit trägt zu dem Informationsstand über die Interaktionen zwischen Schwämmen und Mikroorganismen bei und leistet einen Beitrag zur Aufklärung des Stickstoffkreislaufs in A. aerophoba. / Marine sponges (phylum Porifera) can harbor large amounts of microorganisms which can contribute up to 60% of the sponge biomass. While the microbial diversity has been well described in the last decade, there is only little known about possible functions and metabolic interactions of these microbes with their hosts. The aim of this Ph.D. thesis was to assess and investigate the potential for microbial nitrification in the Mediterranean high microbial abundance sponge (HMA) Aplysina aerophoba. Nitrification consists of the two-step oxidation of ammonia to nitrite and subsequently to nitrate and is carried out by certain microbes for energy purposes. Physiological experiments with living sponges were performed during several expeditions to Rovinj (Croatia). Freshly sampled sponges were incubated in experimental aquaria for more than 24 hours during different seasons. Concentrations of ammonium, nitrite and nitrate were determined in time intervals using colorimetric assays and the excretion- and uptake rates were determined. Nitrite was not excreted in any of the incubation experiments. Ammonium as the natural metabolic waste product of marine sponges was excreted by A. aerophoba and the excretion was seasonally variable. During spring ammonium excretion was not observed, but the excretion rates increased towards the summer. Nitrate which is solely produced by microbial nitrification was excreted constantly and independent of the season. Ammonium uptake experiments proved that ammonium was taken up rapidly in spring and nitrate excretion was stimulated up to 4-fold. During summer no ammonium uptake by A. aerophoba was observed and nitrate excretion was not stimulated. Addition of the specific inhibitor of nitrification, nitrapyrin, resulted in the complete inhibition of nitrate excretion. In contrast to high microbial abundance sponges, nitrate was not excreted by low microbial abundance sponges as expected. The 16S rRNA gene as well as the amoA gene was used as molecular markers to phylogenetically identify microbial nitrifiers in sponges. Numerous 16S rRNA gene sequences representing the marine Nitrosospira cluster 1 were obtained from six sponge species including Aplysina aerophoba. Nitrosospira amoA genes and archaeal 16S rRNA and amoA gene sequences were also amplified from Aplysina aerophoba. The archaeal 16S rRNA gene sequences formed a sponge-specific sub-cluster within the Crenarchaea group I.1A together with other, exclusively sponge-derived sequences. Using fluorescently-labeled 16S rRNA probes targeting the Nitrosospira cluster 1 and the Crenarchaea group 1, their presence was confirmed in A. aerophoba mesohyl. Based on nitrifier abundance in sponge tissues as estimated by FISH and nitrate excretion rates, a cell specific ammonia oxidation rate of 1.6 fmol cell-1 h-1 was calculated. No 16S rRNA or functional genes representing microbes of the anaerobic part of the N-cycle were obtained from A. aerophoba. Furthermore, a previously constructed metagenomic library containing DNA from A. aerophoba associated microbial consortia was screened for clones harboring functional (amoA) genes from Nitrosospira and Crenarchaea. Sequencing of the archaeal clone 58F6 resulted to a complete AMO operon of a possible sponge specific crenarchaeote. The results of this dissertation thesis provide first insights into the complex nitrogen fluxes and interactions between sponges and their associated microbial consortia. Based on this study, a model of N-cycle was postulated for A. aerophoba which links microbial diversity with possible metabolic functions. This study contributes significantly to sponge-microbial interactions and adds new information about the nitrogen cycle in A. aerophoba and its associated microorganisms.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:2495 |
| Date | January 2008 |
| Creators | Bayer, Kristina |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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