Physiology of a marine Beggiatoa strain and the accompanying organism Pseudovibrio sp.

149 Pages·2012·2.83 MB·English

Physiology of a marine Beggiatoa strain and the
accompanying organism Pseudovibrio sp. –
a facultatively oligotrophic bacterium

Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)

dem Fachbereich Biologie/Chemie der
Universität Bremen

vorgelegt von

Anne Schwedt

Bremen, September 2011
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Diese Arbeit wurde von November 2007 bis September 2011 in der Abteilung Mikrobiologie
(Gruppe Ökophysiologie) am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen
angefertigt.

1. Gutachterin: Dr. Heide Schulz-Vogt
Universität Bremen
Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen

2. Gutachter: Prof. Dr. Ulrich Fischer
Universität Bremen

Tag des Promotionskolloquiums: 31. Oktober 2011
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Table of contents

Table of contents

Summary 6

Zusammenfassung 7

Chapter 1 − General introduction 10

Aims of the study 24

Chapter 2 − Physiology and mat formation of a marine Beggiatoa culture 25

2.1 Sulfur respiration in a marine chemolithoautotrophic Beggiatoa strain 27

2.2 Coordinated movement of Beggiatoa filaments in oxygen-sulfide gradients and the
effect of blue/green light 43

Chapter 3 − Co-cultivation of a marine Beggiatoa strain and Pseudovibrio sp. 47

3.1 A chemolithoautotrophic Beggiatoa strain requiring the presence of a Pseudovibrio sp.
for cultivation 49

3.2 The Pseudovibrio genus contains metabolically versatile and symbiotically interacting
bacteria 53

Chapter 4 − Isolation and cultivation of Pseudovibrio sp. and other facultatively
oligotrophic bacteria 55

4.1 Substrate use of Pseudovibrio sp. growing in extremely oligotrophic seawater 57
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Table of contents

4.2 Facultatively oligotrophic bacteria isolated from the habitat of large sulfide-oxidizers 77

Chapter 5 − Concluding remarks 88

Conclusions 98

Outlook 99

References 101

List of abbreviations 114

Appendix 115

Acknowledgements 145
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Summary

Summary
The oceans cover large parts of the earth’s surface and play an important role in the cycling of
elements. The large filamentous sulfide-oxidizing bacteria are capable of forming huge
microbial mats at the oxic-anoxic interface of the sediment surface, where they oxidize sulfide
using either oxygen or nitrate as electron acceptor. Thereby, they can strongly influence and
connect the different nutrient cycles. The water column above is populated by planktonic
bacteria, which account for a large fraction of biomass on earth. Consequently, these
organisms also strongly influence the turnover of nutrients in the oceans.

The first part of this thesis (Chapter 2) addresses the physiology and mat formation processes
of the large sulfide-oxidizers belonging to the genus Beggiatoa. Until now, it was assumed
that nitrate as an alternative electron acceptor is crucial for the migration of marine
Beggiatoa spp. into deeper anoxic sediment layers. We found that a subpopulation of the
investigated Beggiatoa filaments actively migrates into anoxic, sulfidic layers as a reaction to
high sulfide fluxes without the presence of nitrate. Our experiments show that the reason for
this so far unknown migration behavior seems to be excessive storage of elemental sulfur and
organic carbon due to high sulfide fluxes, which leads to filaments extremely filled with
storage compounds that tend to break easily at this stage. By moving into anoxic regions,
aerobic sulfide oxidation is stopped and storage space is emptied by reducing the stored sulfur
with carbon reserve compounds.

The investigated sulfide-oxidizer (Beggiatoa sp.) depends on the presence of a small hetero-
trophic bacterium (Pseudovibrio sp.). This association is investigated in the second part of
this thesis (Chapter 3). The associated Pseudovibrio sp. mainly populates the oxic part of the
gradient co-culture. This suggests that these bacteria are mainly required for the oxic growth
of the Beggiatoa sp. and might protect them from oxidative stress, as Beggiatoa spp. are
typically known to lack the gene encoding for the enzyme catalase. Supporting this hypothesis,
we found that the genome of the accompanying Pseudivibrio sp. possesses several genes for
enzymes involved in the protection against reactive oxygen species.

In contrast to the large Beggiatoa sp., the associated Pseudovibrio sp. is able to grow in pure
culture. Besides heterotrophic growth on organic-rich media, the bacteria are also able to
grow under extremely oligotrophic (nutrient-poor) conditions. A detailed analysis of the
substrate use under oligotrophic conditions revealed that Pseudovibrio sp. grows on organic
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Zusammenfassung

contaminations preferentially containing nitrogen (Chapter 4). Interestingly, we could isolate
further facultatively oligotrophic bacteria from water overlaying Namibian sediments, which
are known to inhabit many different large sulfide-oxidizers.

Zusammenfassung
Die Ozeane bedecken große Teile der Erdoberfläche und spielen somit eine wichtige Rolle in
Bezug auf die Kreisläufe der Elemente. Große, filamentöse, sulfidoxidierende Bakterien
können enorme mikrobielle Matten auf der Sedimentoberfläche bilden. Diese Bakterien
oxidieren das aufsteigende Sulfid mit Sauerstoff oder Nitrat als Elektronenakzeptor, wodurch
sie die verschiedenen Nährstoffkreisläufe der Ozeane beeinflussen und verbinden. In der
darüber liegenden Wassersäule befinden sich planktonische Bakterien, welche durch die
enorme Größe der Ozeane einen erheblichen Anteil der Biomasse auf der Erde darstellen.
Folglich wird auch der Umsatz der Nährstoffe im Ozean stark von diesen Organismen
beeinflusst.

Der erste Teil dieser Dissertation (Kapitel 2) befasst sich mit der Physiologie und Matten-
bildung der großen, sulfidoxidierenden Bakterien aus dem Genus Beggiatoa. Bisher wurde
angenommen, dass das Vorhandensein von Nitrat als alternativer Elektronenakzeptor
essenziell für die Migration von Beggiatoa sp. in anoxische Sedimentschichten sei. Wir
konnten in unserer Studie zeigen, dass eine Subpopulation der untersuchten Beggiatoa
Filamente ohne zur Verfügung stehendes Nitrat aktiv anoxische, sulfidische Bereiche auf-
suchen kann. Der Grund für dieses bislang unbekannte Migrationsverhalten scheint die
übermäßige Speicherung an internem Schwefel und Kohlenstoff zu sein, welche als Folge von
einem hohen Sulfidflux auftritt. Die erhöhte Speicherung führt dazu, dass die Filamente sehr
mit Speicherstoffen angefüllt sind und dadurch leicht brechen. Die aerobe Sulfidoxidation
kann unterbrochen werden, indem die Filamente sich in anoxische Bereiche bewegen, wo sie
den internen Schwefel mit intern gespeichertem Kohlenstoff reduzieren.

Das Wachstum der untersuchten Sulfidoxidierer (Beggiatoa sp.) ist abhängig von der An-
wesenheit von kleinen heterotrophen Bakterien (Pseudovibrio sp.). Diese Assoziation wurde
im zweiten Teil dieser Dissertation untersucht (Kapitel 3). Die assoziierten Bakterien
(Pseudovibrio sp.) sind vorwiegend im oxischen Bereich der Co-Kultur zu finden, was
vermuten lässt, dass sie besonders für das aerobe Wachstum von Beggiatoa sp. erforderlich
sind. Da Beggiatoa spp. typischerweise nicht über das Gen für das Enzym Katalase verfügen,
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Zusammenfassung

ist es möglich, dass die assoziierten Bakterien ihre Partner vor oxidativem Stress schützen.
Diese Vermutung wird dadurch unterstützt, dass wir im Genom des Begleitorganismus
(Pseudovibrio sp.) diverse Gene für Enzyme gefunden haben, die vor reaktiven Sauerstoff-
spezies schützen.

Im Gegensatz zu den großen Sulfidoxidierern (Beggiatoa sp.) können die assoziierten
Bakterien (Pseudovibrio sp.) in Reinkultur leben. Neben heterotrophem Wachstum auf
kohlenstoffhaltigen Medien, können die Bakterien unter extrem oligotrophen (nährstoffarmen)
Bedingungen wachsen. Eine detaillierte Analyse der Substrate, die unter diesen
nährstoffarmen Bedingungen benutzt werden, hat gezeigt, dass Pseudovibrio sp. auf
stickstoffhaltigen, organischen Kontaminationen wachsen kann (Kapitel 4). Interessanter-
weise konnten wir weitere fakultativ oligotrophe Bakterien aus dem Wasser über
Namibischen Sedimenten isolieren. Namibische Sedimente sind bekannt für ihre Vielzahl an
verschiedenen Sulfidoxidierern.

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„Science is built up of facts, as a house is built of stones; but an accumulation
of facts is no more a science than a heap of stones is a house.“

~Jules Henri Poincaré (1854-1912)

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