Description and characterization of bacteria attached to lotic organic aggregates (river snow) in the Elbe River of Germany and the South Saskatchewan River of Canada

In den Schwebstoffflocken der Fliessgewässer spielen Bakterien neben Algen, Pilzen, Protozoen, anorganischen Partikeln und organischem Detritus eine wesentliche Rolle. Am Beispiel der Elbe wurde die phylogenetische Diversität und Physiologie dieser aquatischen Bakterien mittels molekularbiologischer Methoden (in situ Hybridisierung, 16S rDNS Sequenzanalyse), aerober und anaerober Kultivierung, sowie konfokaler laser scanning Mikroskopie untersucht. Im Jahresverlauf zeigte sich, dass die mikrobielle Lebensgemeinschaft der Schwebstoffflocken in Frühjahresproben durch eine grosse bakterielle Diversität gekennzeichnet war. In Sommerproben dagegen dominierten unterschiedliche Cyanobakterien und Grünalgen. Herbst- und Winterproben wiesen eine deutliche Abnahme der bakteriellen Gesamtzellzahl auf. Mehr als 70% aller mit DAPI nachgewiesenen Bakterien konnten mit der Eubakterien spezifischen Sonde EUB338 detektiert werden. Die in situ Analyse der Schwebstoffflocken mit unterschiedlichen Oligonukleotid Sonden, zeigte, dass die überwiegende Mehrheit der phylogenetischen Bakteriengruppen jahreszeitlichen Schwankungen mit Werten von 2% für die Planktomyceten bis zu 36% für die Cytophagen-Flavobakterien Gruppe unterlagen. Im Gegensatz dazu, waren die beta-Proteobakterien in allen Jahreszeiten anzutreffen, und erreichten mit Werten zwischen 50-54% von der Gesamtzellzahl die höchsten Zellzahlen überhaupt. Statische Schwebstoffflockenkulturen, angesetzt mit steril filtriertem Elbewasser und angereichert mit Spuren verschiedener Substrate, führten zu morphologischen und phylogenetischen Veränderungen der mikrobiellen Lebensgemeinschaft. Zugabe von N-acetylglucosamin ergab einen deutlichen Anstieg der beta-Proteobakterien. Die aerobe und anaerobe Kultivierung auf einer Vielzahl verschiedener Medien führte zur Isolierung von 40 Bakterienreinkulturen aus unterschiedlichen phylogenetischen Gruppen. Mit Hilfe neu entwickelter, spezifischer Oligonukleotidsonden, konnten die isolierten Bakterien als relevante und dominante Vertreter der mikrobiellen Lebensgemeinschaft ermittelt werden. Für die gleichzeitige Erfassung zellulärer Komponenten und extrazellulärer polymerer Sustanzen (EPS) wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neue kombinierte Technik aus Fluoreszenz in situ Hybridisierung und Lektin-Bindungs-Analyse (FISH-LBA) entwickelt. Die Schwebstoffflocken wurden direkt aus dem Elbewasser in Objektträgerkammern überführt, in denen die komplette Präparation, bestehend aus Fixierung, FISH, LBA und anschließender mikroskopischer Analyse, durchgeführt wurde. Anorganische Partikel aus den Schwebstoffflocken, wie auch die Autofluoreszenz von photosynthetischen Organismen, hatten keinen störenden Einfluß auf die neue Methode. FITC markierte Lektine von Triticum vulgaris, Limulus polyphemus, Arachis hypogaea, Phaseolus vulgaris und Pseudomonas aeruginosa konnten durch Bindung an die jeweils spezifischen Zucker in der EPS-Matrix der Schwebstoffflocken bestimmte Bereiche innerhalb der Flocken sichtbar machen. Die neue Methode ermöglichte die Detektion von einzelnen Bakterien und Mikrokolonien unterschiedlicher phylogenetischer Gruppen mit den sie umgebenden EPS Komponenten in verschiedenen Bereichen der Flocken. Darüber hinaus war auch die chemische Identifizierung von Bestandteilen der Schleimkapseln und Zellhüllen einzelner eukariontischer und prokariontischer Zellen möglich. Kultivierung der bakteriellen Lebensgemeinschaft der Schwebstoffflocken aus dem South Saskatchewan River in Saskatchewan, Kanada, auf verschiedenen Medien führte zur Isolierung der bakteriellen Reinkultur F8. Durch 16S rDNS Sequenzierung und phylogenetische Analyse konnte die Zugehörigkeit des Isolates F8 zur Gruppe der gamma-Proteobakterien ermittelt werden. Stamm F8 fiel bei mikroskopischen Beobachtungen durch eine bemerkenswerte Interaktion der einzelnen bakteriellen Zellen entlang eines selbst produzierten filamentösen Netzwerkes auf. Der koordinierte Bewegungsablauf startete mit der Akkumulierung eines von den Zellen produzierten Materials, was sich im weiteren Verlauf zu Filamenten unterschiedlicher Länge umformte. Diese Filamente bildeten daraufhin ein komplexes Netzwerk, an dem sich die Zellen entlang bewegten. Die Zellen schlossen sich zunächst in kleineren und später in größeren Gruppen zusammen. Der Prozess endete mit grossen Zellanhäufungen und einem zellfreien Netzwerk aus Filamenten. Dieser Prozess konnte sowohl bei Kultivierung auf Fest- als auch in Flüssigmedien beobachtet werden. Obwohl der Stamm F8 in der Lage war, auf einer Vielzahl unterschiedlicher Medien zu wachsen, trat die Bildung von Filamenten nur in nährstoffarmen Medien auf. Die Filamente konnten mit verschiedenen Farbstoffen angefärbt werden. Ihre Anwesenheit konnte sowohl lichtmikroskopisch als auch durch konfokale laser scanning Mikroskopie und Elektronenmikroskopie nachgewiesen werden.

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