Year: 2011
Type: dissertation
Abstract: Understanding biodiversity and its distribution across space, time, and along environmental gradients, is crucial in order to assess the ecological functions of groups of organisms in the environment and gain insights into overall ecosystem functioning.In contrast to the distribution patterns of larger organisms, little is known about the structuring of bacterial communities in the environment.The reason being, that appropriate tools for the study of microbial ecology have only become available during the last decades.Today, molecular tools like fingerprinting or nextgeneration sequencing enable a time-and cost-effective, high-throughput processing of environmental samples to study bacterial diversity patterns.The application of such tools has revealed non-random patterns of bacterial diversity across space and time, and along environmental gradients in a variety of habitats.However, research on microbial community ecology is just starting to pick up pace, and entire ecosystems, such as the deep seafloor, remain largely uncharted.The deep sea represents the largest ecosystem on Earth and at the same time remains one of the least explored regions on our planet.Bacterial communities play an essential role for carbon and nutrient cycling in deep-sea sediments, and are thus an important component of benthic deep-sea ecosystems.Therefore, the specific investigation of bacterial diversity and its distribution at the deep seafloor in the context of environmental parameters were major objectives of this thesis.The influence of both spatial distance, as an indicator for dispersal limitation, and contemporary environmental factors on bacterial communities were investigated at different spatial scales.In Chapter I, global-scale patterns of bacterial community composition in deep-sea surface sediments were explored.Strong distance-decay relationships (i.e., the decrease in shared bacterial types between samples with increasing distance) and a high degree of endemism suggested a limited dispersal of benthic bacterial populations in the deep sea.In addition, potential members of a core deep-sea surface sediment community were identified.Results presented in Chapter II describe the distribution of bacterial diversity at intermediate (10-3000 km) and large (>3000 km) scales and further test the influence of an underwater mountain range, the Walvis Ridge, on the dispersal of bacterial communities.Both, geographic distance and environmental heterogeneity influenced bacterial diversity at these scales, indicating a complex interplay of local contemporary environmental effects and dispersal limitation.The Walvis Ridge, however, did not appear to present a geographic barrier for the dispersal of bacterial communities.The relationship between energy availability and bacterial diversity and activity was investigated at the regional scale (7-500 km) in Arctic Ocean deep-sea sediments (Chapter III).Phytodetritus input, as a proxy for energy availability at the deep seafloor, was evidenced to be an important driver of changes in bacterial diversity and activity along the investigated depth transects.The results indicate that bacterial communities may exhibit energy-diversity relationships comparable to the ones observed for macrofaunal deep-sea organisms.Furthermore, contrasting responses of individual taxa to changes in phytodetritus input suggested varying ecological strategies among bacterial groups, and may enable the classification of indicator taxa for certain environmental states.Finally, the influence of a specific source of energy, i.e., wood, on the biogeochemistry and bacterial diversity at the deep seafloor was investigated using experimental wood deployments (Chapter IV).The deposition of wood at the deep seafloor presents a localized input of organic matter to an otherwise largely oligotrophic environment.Wood colonization experiments were deployed in the Eastern Mediterranean deep sea for one year, and revealed the development of sulfidic niches and the colonization of specialized communities at these large organic food falls. ZusammenfassungEin besseres Verständnis von Biodiversität und der Verteilung von Biodiversität über Raum und Zeit, sowie entlang von Umweltgradienten ist wichtig, um die ökologische Funktion einzelner Gruppen in der Umwelt zu verstehen, sowie Einblicke in die Funktion gesamter Ökosysteme zu erhalten.Im Gegensatz zu den Verteilungsmustern größerer Organismen, ist wenig über die Strukturierung bakterieller Gemeinschaften in der Umwelt bekannt.Ein Grund hierfür ist, dass geeignete Methoden für die Untersuchung mikrobieller Ökologie erst in den letzten Jahrzehnten verfügbar geworden sind.Heute ermöglichen molekulare Methoden wie das "fingerprinting" (das Erstellen molekularer Fingerabdrücke bakterieller Gemeinschaften) und neueste Sequenzierungstechniken, einen zeit-und kosten-effizienten, hohen Durchsatz von Umweltproben für die Analyse bakterieller Gemeinschaftsmuster. Die Anwendung derartiger Methoden zeigte, dass bakterielle Gemeinschaften in einer Reihe von Habitaten nicht einfach zufällig in Raum, Zeit, oder entlang von Umweltgradienten verteilt sind.Allerdings steht die Erforschung mikrobieller Gemeinschaftsmuster noch am Anfang, und komplette Ökosysteme, wie z.B. der Tiefseeboden, sind in dieser Hinsicht weitgehend unerforscht.Die Tiefsee stellt das größte Ökosystem der Erde dar, bleibt aber gleichzeitig eines der am wenigsten erforschten Gebiete auf unserem Planeten.Bakterielle Gemeinschaften spielen eine grundlegende Rolle für die Umsetzung von Kohlenstoff und Nährstoffen in Tiefseesedimenten, und sind deshalb ein wichtiger Teil des Tiefseeökosystems.Aus diesen Gründen war die gezielte Untersuchung bakterieller Diversitätsmuster am Tiefseeboden und eine Bewertung im Zusammenhang mit Umweltparametern ein Hauptziel dieser Arbeit.Auf unterschiedlichen räumlichen Skalen wurden der Einfluss geographischer Distanz, als Anzeiger für eine eingeschränkte Verbreitung, sowie der Einfluss von Umweltfaktoren auf bakterielle Gemeinschaften untersucht.In Kapitel I wurden bakterielle Gemeinschaftsmuster in Oberflächensedimenten der Tiefsee auf globaler Ebene untersucht.Die Abnahme gemeinsamer Bakterientypen in Probenvergleichen mit zunehmender Distanz ("distance-decay relationship"), sowie ein hoher Anteil endemischer Bakterientypen, deutete auf eine eingeschränkte Verbreitung benthischer bakterieller Populationen in der Tiefsee hin.Des Weiteren konnten potentielle Vertreter einer Kern-Population in Tiefseeoberflächensedimenten identifiziert werden.Ergebnisse, die in Kapitel II präsentiert werden, beschreiben die Verteilung bakterieller Diversität über mittlere (10-3000 km) und große (>3000 km) Distanzen.Außerdem wurde der Einfluss des untermeerischen Bergrückens Walfischrücken auf die Verbreitung bakterieller Gemeinschaften untersucht.Sowohl geographische Distanz als auch Umweltfaktoren beeinflussten die bakterielle Diversität über diese räumlichen Skalen, was auf ein komplexes Zusammenspiel von lokalen Umweltbedingungen und Verbreitungsgrenzen hindeutet.Der Walfischrücken schien allerdings keine geographische Barriere für die Verbreitung bakterieller Gemeinschaften darzustellen.Der Zusammenhang zwischen Energieverfügbarkeit und bakterieller Diversität und Aktivität wurde auf regionaler Ebene (7-500 km) in Tiefseesedimenten des Arktischen Ozeans untersucht (Kapitel III).Der Eintrag von Phytodetritus (pflanzliche Überreste), als eine der Hauptenergiequellen am Tiefseeboden, konnte als wichtiger Einflussfaktor für Veränderungen in bakterieller Diversität und Aktivität entlang der untersuchten Tiefentransekte nachgewiesen werden.Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Bakteriengemeinschaften ähnliche Zusammenhänge zwischen Energieverfügbarkeit und Diversität aufweisen könnten, wie die, die bei Makroorganismen in der Tiefsee beschrieben worden sind.Des Weiteren wurden unterschiedliche Reaktionen einzelner Gruppen auf Veränderungen in der Phytodetritus-Verfügbarkeit aufgezeigt, die auf unterschiedliche ökologische Strategien dieser Gruppen hinweisen.Zukünftig könnte dies eine Charakterisierung von Indikatorgruppen für bestimmte Umweltbedingungen ermöglichen.Zuletzt wurde mit Hilfe experimenteller Holzeinträge in die Tiefsee der Einfluss dieser speziellen Energiequelle auf die Biogeochemie und bakterielle Diversität am Tiefseeboden untersucht (Kapitel IV).Der Eintrag von Holz in die Tiefsee stellt einen lokalen Eintrag organischen Materials in eine anderenfalls weitgehend nahrungsarme Umgebung dar.Holzbesiedlungsexperimente wurden in der Tiefsee des östlichen Mittelmeeres versenkt und nach einem Jahr konnten die Entwicklung sulfidischer Nischen, sowie die Besiedlung spezialisierter Gemeinschaften an diesen lokalen Nahrungseinträgen beobachtet werden. Beta-diversity.Beta-diversity compares the variation in community composition (presence-absence) or structure (relative abundance data) between two or more samples (Whittaker, 1972).It describes the dynamics of a community across space, time, or along an environmental gradient (Magurran, 2004).Measures of dissimilarity are obtained in pairwise comparisons between samples.The Bray-Curtis index is commonly used for abundance data (Bray and Curtis, 1957) and the Jaccard index (Jaccard, 1901) for presence-absence data.For more information on the properties of these indices and how they are calculated, see (Anderson et al., 2011; Legendre and Legendre, 1998).
Source: Max Planck Digital Library
Author: Christina Bienhold
Language: English
Subfield: Ecology
Field: Environmental Science
Domain: Physical Sciences
SDG: Life below water
Open Access status: green
OpenAlex ID: W3103894027