Benthic bacteria in the German Bight : Characterising community structure and influencing environmental factors

Abstract

Bakteriengemeinschaften sind sehr divers und ihre Zusammensetzung wird maßgeblich durch die Bedingungen in ihrem jeweiligen Habitat bestimmt. Die Untersuchung von Wechselbeziehungen zwischen Bakteriengemeinschaften und zugehörigen Umweltfaktoren ist deshalb essentiell um die Zusammenhänge zwischen dem Vorkommen bestimmter Arten und äußeren Einflüssen zu verstehen und gegebenenfalls das Ausmaß von Umweltveränderungen abschätzen zu können. Die vorliegende Arbeit dokumentiert zum ersten Mal die Verbreitung benthischer Bakteriengemeinschaften in Abhängigkeit einflussnehmender Umweltfaktoren in der Deutschen Bucht (Nordsee). Die Deutsche Bucht selbst stellt eine sehr variable und durch anthropogene Einflüsse geprägte Region dar. Die Zusammensetzung benthischer Bakteriengemeinschaften wurde in monatlichen Abständen entlang dreier Transekte in der Deutschen Bucht erfasst und mit gleichzeitig erhobenen physikochemischen und biogeochemischen Daten verschnitten. Umlagerungen von ausgebaggertem Elbsediment in die Deutsche Bucht im Zuge von Instandhaltungsarbeiten des Hamburger Hafens sind aktuell von großem, auch öffentlichem Interesse. Bisher wurden Gemeinschaftsanalysen von benthischen Bakterien nicht in das begleitende Monitoringprogramm integriert. In einer Pilotstudie wurden diese Analysen durchgeführt um den Einfluss der Verbringung auf die Bakteriengemeinschaften abzuschätzen. Bakteriengemeinschaftsanalysen (Struktur und Diversität) wurden im Rahmen dieser Arbeit mittels der Fingerprintmethode Automated Ribosomal Intergenic Spacer Analysis (ARISA) durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften mithilfe von Tiefensequenzierung einer ribosomalen DNA Sequenz ermittelt und die Funktion mittels Mikroarrays (functional gene arrays) untersucht. In multivariaten Analysen wurden die Informationen der Gemeinschaftsanalysen mit kontextuellen Daten verschnitten. Die Untersuchungen ergaben, dass die benthischen Bakteriengemeinschaften der Deutschen Bucht sehr divers sind. Der Einfluss von Umweltfaktoren auf die Bakteriengemeinschaften hängt dabei stark von den physikalischen Rahmenbedingungen (Wind, Tide) in den untersuchten Gebieten ab. Bakteriengemeinschaften der nahen Küstengebiete zeigten ausgeprägte saisonale sowie räumliche Abhängigkeiten auf, während Gemeinschaften in küstenfernen Gebieten weniger von Umweltfaktoren beeinflusst waren. In jedem Fall spielte die Temperatur bei der Ausprägung der Bakteriengemeinschaften eine entscheidende Rolle. Bezüglich der untersuchten Ästuare der Küstenregionen konnte gezeigt werden, dass der jeweils am stärksten ausgeprägte Umweltgradient, in diesem Fall Unterschiede des Salzgehaltes und des Feinsandanteils im Sediment, den größten Einfluss auf die Bakteriengemeinschaft nahm. Die in der Deutschen Bucht stattfindenden Sedimentumlagerungen führten zu einer fundamentalen Veränderung der Sedimentstruktur an der Einbringstelle. Die Veränderung spiegelte sich auch in den vorkommenden Bakteriengemeinschaften wider. Die Gemeinschaftsstruktur unterschied sich signifikant von derer im Referenzgebiet. Die Diversität, im Hinblick auf Funktion und Artenniveau, war ebenfalls deutlich erniedrigt. Die Sequenzanalysen ergaben, dass neben marinen Arten auch Süßwasserbakterien an der Umlagerungsstelle nachgewiesen wurden. Insgesamt lässt sich feststellen, dass die Umlagerung zu einer deutlichen Veränderung der Habitatstruktur geführt hat die konsequenterweise zu einer angepassten Bakteriengemeinschaft führte. Insgesamt bietet diese Arbeit einen detaillierten Einblick in die benthischen Bakteriengemeinschaften der Deutschen Bucht. Es konnte gezeigt werden welche und in welchem Ausmaß Umweltfaktoren diese Gemeinschaften beeinflussen und wie sich Sedimentverbringungen im Besonderen auswirken. Die Erkenntnisse dieser Arbeit sind entscheidend um ökologische Prozesse und Veränderungen in Küstenregionen der Deutschen Bucht zu verstehen und abschätzen zu können.

Bacterial communities are highly diverse and their composition and distribution depends most likely on individual habitat conditions. Hence, studying the abundance and distribution of species and factors influencing them are crucial to understand ecosystem functioning and to predict environmental changes. This thesis aimed to characterise benthic bacterial communities and environmental factors influencing them in the German Bight. The German Bight represents a highly variable and human-impacted system and to date only little is known about the respective consequences for benthic bacterial communities. The biogeography of benthic bacterial communities in the southern German Bight was captured in monthly cruises along three transects obtaining simultaneously physicochemical and biogeochemical parameters. Ocean dumping activities performed in the German Bight represent a topic of actual concern and their impact on benthic bacterial communities was not included in regular monitoring programs so far. In a pilot study community analyses were implemented at an active disposal site for dredged sediments. Differences in the bacterial community structure and diversity were estimated in direct comparison to a reference site. Applying ARISA fingerprinting community structure and diversity of benthic bacteria were assessed. Sequencing of the SSU ribosomal DNA was implemented to determine the community composition. And finally, functional gene array analyses were utilised to investigate the functional structure of the bacterial communities. The bacterial community information was linked to the recorded contextual data via multivariate analyses in order to identify main factors shaping the community and functional structure. Generally we observed highly diverse benthic bacterial communities. Bacterial communities inhabiting nearshore and offshore habitats in the German Bight were differently affected by respective environmental conditions. We demonstrated that bacterial communities in nearshore habitats exhibited distinct temporal as well as spatial variations which were not observed for those inhabiting offshore regions. In any case temporal influences were determined to play the major role. The spatial variations were predominantly driven by respective strong environmental gradients, here grain size and salinity variations, occurring in two compared nearshore regions. Our investigations at a disposal site demonstrated that the dumping activities affected benthic bacterial communities. Changes in the substrate matter at the dumping site determined a significantly different community structure and diversity of the benthic bacteria as compared to those at a reference site. We observed a considerably lower diversity regarding the community and functional level of the bacteria. Finally, our sequencing approach revealed that the bacterial community at the dumping site encompasses marine as well as fresh water phylotypes which were most likely introduced with the intrusion of dumped sediment. These findings leads us to conclude that the dumping activity created fundamentally different habitat conditions at the immediate dumping site and determined thereby an adapted bacterial community. This thesis comprises the most detailed investigations of benthic bacterial communities in the German Bight. Important knowledge on bacterial community structure and influencing environmental factors was presented. The insights gained by these investigations are crucial for our understanding of ecological process and anthropogenic impacts in coastal areas. We are convinced that the perceptions yielded by this thesis will help in estimating and predicting environmental changes in the German Bight.