Mikrobielle Sulfatreduktion im Gewebe des Kaltwasserschwammes Geodia barretti (Tetractinellida, Demospongiae)

Umsatzraten, Gemeinschaftsstruktur und das chemische Mikromilieu sulfatreduzierender Bakterien (SRB) im Gewebe des borealen Schwammes Geodia barretti (Demospongiae) wurden untersucht, und biologisch-chemische sowie Schwamm-Bakterien-Wechselwirkungen diskutiert. Dafür wurden histologische, molekularbiologische und biogeochemische Methoden kombiniert, neue Methoden entwickelt und bewährte modifiziert.Schwämme stehen am Anfang der Metazoenentwicklung und können als ursprünglichster aller jetzt lebender Tierstämme bezeichnet werden. Fossilienfunde zeigen, dass die Familie Geodiidae seit dem frühen Kambrium existiert. Geodia barretti beherbergt eine große Zahl assoziierter Mikroorganismen in seiner interzellulären Matrix. Solche Schwämme werden auch als "bacteriosponges" ("Bakterienschwämme") bezeichnet. Diese Art besitzt zahlreiche Nadeln aus Silikat, die an der Oberfläche eine dichte Cortex aus Mikroskleren bilden. Verschiedene histotechnologische Methoden wurden erprobt, um Gewebeschnitte ohne vorherige Herauslösung der Skleren zu erhalten. Solche Schnitte wurden für die Untersuchung der Bakteriengemeinschaft mit Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) benötigt, sowie auch für histologische Untersuchungen.Ferner wurde eine neue Methode zur Kultivierung von Gewebefragmenten von G. barretti entwickelt. Kultivierte Schwammfragmente dienten als experimentelle Einheiten für Untersuchungen mit Mikroelektroden. Histologische Beobachtungen über einen Kultivierungszeitraum von 8 Monaten hinweg zeigten die Fähigkeit dieses Schwammes, sich aus einem beliebigen Gewebestück zu regenerieren.Bakterienzählungen mit FISH an Gewebeschnitten ergaben 2,23*1010 SRB cm-3. Das sind 7,6% der gesamten Schwammbakterien. Die Zusammensetzung der SRB-Gemeinschaft in G. barretti unterschied sich von der in marinen Sedimenten. Die Gattung Desulfovibrio war am zahlreichsten vertreten. Diese Gattung beinhaltet Sulfatreduzierer, die auf bestimmte Substrate spezialisiert sind und bevorzugt bei hohen Substratkonzentrationen wachsen. SRB waren gleichmäßig im choanosomalen Gewebe verteilt, fehlten jedoch in und direkt unterhalb der Cortex. Wiederholte Messungen mit Sauerstoff-Mikroelektroden zeigten eine gute Sauerstoffversorgung in Cortex und subcorticalen Kammern eines aktiv pumpenden Schwammes. Im Choanosom nahm der Sauerstoff rapide ab, und war 4-6 mm unter der Oberfläche nicht mehr messbar. In nicht-pumpenden Individuen wurde diffusiver Sauerstoffverbrauch im überliegenden Wasser beobachtet. Sauerstoffprofile an kultivierten Fragmenten zeigten eine nahezu parabolische Form, was darauf hinweist, dass die Sauerstoffversorgung allein durch Diffusion gedeckt wird und die Fragmente nicht aktiv pumpen können. Sulfatreduktionsraten (SRR) im Schwammgewebe lagen zwischen 1-1200 nmol SO42- cm-3 d-1, mit starken Variationen innerhalb eines Individuums. Zeitserien mit homogenisiertem Schwammgewebe zeigten eine starke Abhängigkeit der SRR von der Inkubationszeit mit 35SO42-. Dies deutet auf eine schnelle Reoxidation des Sulfids hin, was bedeutet, dass Sulfatreduktion direkt mit Sulfidoxidation verknüpft ist. Auch die höchsten gemessenen Raten unterschätzen möglicherweise die wahren SRR, welche auf bis zu 5000 nmol cm-3 d-1 geschätzt wurden. Von diesen Raten wurden zellspezifische Sulfatreduktionsraten bis zu 0,22 fmol cell-1 d-1 kalkuliert, welche vergleichbar sind mit solchen in marinen Sedimenten.Meine Ergebnisse lassen auf einen endosymbiontischen Schwefelkreislauf im Gewebe von G. barretti schließen, angetrieben von der Aktivität der SRB und von oxischen/anoxischen Kreisläufen im Gewebe aufgrund von variierender Pumpaktivität des Schwammes. Sind Schwammzellen und aerobe assoziierte Bakterien metabolisch aktiv in einem schwach pumpenden Schwamm, können Gewebebereiche anoxisch werden. Unter diesen Bedingungen betreiben Schwammzellen Fermentierung. Fermentationsprodukte sind Substrate für SRB, welche von Schwammzellen konsumiert werden können. In der Gegenwart von Sauerstoff wird der Schwefelkreislauf im Schwammgewebe durch Oxidation von Sulfid zu Sulfat vervollständigt. Die Beteiligung von sulfidoxidierenden Bakterien an diesem Schritt ist sehr wahrscheinlich.Meine Ergebnisse weisen auf die Bedeutung anaerober Prozesse in der interzellulären Matrix von G. barretti hin, wobei den SRB möglicherweise eine Schlüsselrolle für den Metabolismus und die Ernährung des Schwammes zukommt. Ob diese Symbiose ein Relikt aus der frühen Entwicklungsgeschichte der Tiere ist, bleibt spekulativ. Allerdings könnte dieses effiziente System des internen Nährstoffrecyclings zwischen Symbiosepartnern der Grund für das lange Überleben der Gattung Geodia und anderer "Bakterienschwämme" sein.Metabolic rates, community structure and the chemical micro-environment of sulfate-reducing bacteria (SRB) within the tissue of the boreal demosponge Geodia barretti were examined, and implications for biological-chemical and sponge-bacteria interactions are discussed. To enable these investigations, histological, molecular biological and biogeochemical methods were combined, new methods were developed and established methods were modified.Sponges represent the very base of metazoan evolution and can be regarded as the oldest animal phylum still alive. Fossil records indicate that the family Geodiidae has been existing since the early Cambrian. Geodia barretti hosts vast amounts of associated microorganisms in its intercellular matrix ("bacteriosponge"). This species is extremely rich in siliceous spicules, with a pronounced cortex of microscleres at the sponge surface. Various methods in sponge histotechnology were developed and evaluated which allow preparation of tissue sections without removing the spicules. These sections are applicable for examination of the microbial community by fluorescence in situ hybridization (FISH) as well as for histological investigations.A cultivation method for fragments of G. barretti was also developed. Cultivated fragments served as experimental units for microelectrode studies. Histological investigations over a cultivation period of 8 months showed the ability of this sponge to grow and regenerate from a random piece of tissue.FISH on tissue sections showed that G. barretti contains 2.23*1010 SRB cm-3 tissue, which represent 7.6 % of the bacterial community. The SRB community was found to be different from that in marine sediments. The predominant genus was Desulfovibrio, which comprises specialized feeders favoured by high substrate concentrations. SRB were evenly distributed throughout the choanosomal tissue, but were absent in and directly beneath the cortex. Repeated measurements with oxygen-sensitive microelectrodes showed that in a pumping G. barretti, the cortex and the subcortical spaces were well oxygenated. In the choanosome, oxygen decreased rapidly and was always depleted 4-6 mm below the sponge surface. When the sponge stopped pumping, diffusive oxygen consumption in the overlying water could be observed. Oxygen profiles in cultivated fragments showed a nearly parabolic shape and anoxic conditions already 500µm below the surface, indicating that oxygen supply was solely due to molecular diffusion with no pumping activity involved. Sulfate reduction rates (SRR) in sponge tissue ranged from 1-1200 nmol SO42- cm-3d-1 with strong variations within the same sponge. Time series with tissue slurry showed strong dependence of SRR on incubation time with 35SO42-. This indicates a rapid sulfide reoxidation, and thus a direct coupling between sulfate reduction and sulfide oxidation. Even the highest rates measured may still underestimate true SRR, which were estimated to be up to 5000 nmol cm-3 d-1. From these rates, cell specific SRR (csSRR) up to 0.22 fmol cell-1 d-1 were calculated, which are in a reasonable range for natural environments.My results indicate the presence of an endosymbiotic sulfur cycle in the tissue of G. barretti, driven by the activity of SRB and by oxic/anoxic cycles in the tissue due to varying pumping activity of the sponge. Tissue anoxia may arise due to the active metabolism of sponge cells and aerobic associated bacteria under low pumping activity. Under these conditions, sponge cells will switch their metabolism to fermentation. Fermentation products serve as substrates for SRB, which can be consumed by sponge cells ("bacterial farming"). In the presence of oxygen, the sulfur cycle within the sponge tissue is completed by oxidation of sulfide to sulfate. The involvement of sulfide-oxidizing bacteria in this step is very likely.My results indicate the relevance of anaerobic metabolic processes in the intercellular matrix of G. barretti, with sulfate-reducing bacteria as putative key players in sponge metabolism and nutrition. The possibility of an ancient origin of the symbiosis between SRB and sponges or sponge precursors remains a matter of discussion. However, this efficient system of internal nutrient recycling by symbiotic partners may be the reason for the success of Geodia and other bacteriosponges through earth history until today