Der Gehalt an pDNA im Meer erweist sich primär als eine Funktion der vorhandenen Zellzahlen, was auch die Anzahl der organismusbildenden Zellen der Metazoen mit einschließt. Des weiteren ergibt sich eine Abhängigkeit der pDNA - Konzentration aus der Genomgröße jeder Zelle, die sich proportional verhält zur Anzahl und zum Grad repetitiver Sequenzen sowie zum für die Zelle zu bewahrenden Informationsumfang.
Insgesamt konnte bis auf die pDNA - Messungen, die während der Experimente in Zingst durchgeführt wurden (siehe dazu Kapitel 4.4.), für alle pDNA - Untersuchungen ein hoher Korrelationsgrad sowohl zur Abundanz als auch zur Aktivität der Bakterien ermittelt werden. Gleiche Ergebnisse hinsichtlich der engen Bindung der pDNA - Konzentration mit mikrobiellen Variablen berichteten Paul & Myers (1982), Paul et al.
(1985), McCoy & Olson (1985) und Holzapfel - Pschom et al. (1986). Eine weitere substanzielle Zuordnung des pDNA - Gehaltes zur Bakterienabundanz läßt sich aus den durchgeführten Fraktionierungsexperimenten erkennen, die der von Bakterien dominierten Größenklasse > 0,2 - < 1 jun zwischen 50 und 99 % (Paul &
Carlson, 1984; Paul et al., 1985; diese Studie) des Gesamt - pDNA - Gehaltes zuweisen. Auch aus den für die Kieler Bucht und Kieler Förde sowie für die zentrale Ostsee zusammengefaßten Abundanzen einzelner Organismengruppen (Bakterien, Pikocyanobakterien, autotrophe Pikoflagellaten, heterotrophe Nanoflagellaten, Nano- und Mikrophytoplankton) ergibt sich eine Dominanz bakterieller Zellen, deren Abundanz etwa eine Größenordnung über der Zellzahl der Pikocyanobakterien als zweithäufigste pelagische Komponente liegt. Daß diese Vorgefundenen Abundanzverhältnisse prinzipiell auf den gesamten marinen Bereich übertragbar sind, ergibt sich aus der zusammengefaßten Literatur über mögliche Bakterien- (Thingstad, 1987) und Pikocyanobakterienkonzentrationen (Jochem, 1990).
Der in dieser Studie um den Ordinatenabschnitt korrigierte DNA Gehalt pro Bakterienzelle von 2,0 -12,0 fg DNA Bakterienzelle'1 (Mittelwert = 6,3 % DNA Bakterienzelle*1) bzw. bezogen auf einen 71 %igen Anteil der bakteriellen pDNA am Gesamt - pDNA - Gehalt (siehe Kapitel 3.6.) von 4,5 - 10,7 fg DNA Bakterienzelle*1 (Mittelwert = 7,0 fg DNA Bakterienzelle*1) stimmt mit Arbeiten von anderen Autoren gut überein. So ermittelten für die Größenfraktion > 0,2 - < 1 jtm Paul & Carlson (1984) für den limnischen und marinen Bereich 5,8 - 14,4 fg DNA Bakterienzelle 1 (Mittelwert = 9,8 fg DNA Bakterien
zelle*1) und Paul et al. (1985) für den marinen Bereich 5,7 fg DNA Bakterienzelle*1. Vergleichbare Werte fanden bei Grundwasseruntersuchungen McCoy & Olson (1985) und Holzapfel - Pschorn et aL (1986) mit 7,1 bzw. 6,7 fg DNA Bakterienzelle*1.
Der Vergleich dieser Werte mit den in der Literatur vorhandenen DNA - Gehalten von Bakterienzellen liefert unterschiedliche Ergebnisse. In früheren Arbeiten geben Spektor (1956) und DeDeken & DeDeken (1959) pDNA - Gehalte von Bakterienzellen zwischen 0,3 und 5,2 % des Trockengewichtes an. Diese eher als
gering zu bemessenden pDNA - Anteile stehen nicht im Rinklang mit neueren Ergebnissen von z. B. Fuhrman
& Azam (1982) und Simon & Azam (1989), die prozentuale pDNA - Anteile von > 10 % bzw. in Abhängigkeit von den Zelldimensionen zwischen 5,2 und 12,7 % am Trockengewicht ermittelten. Fuhrman &
Azam (1982) führen die von diesen Autoren angegebenen geringen pDNA - Anteile am Bakterientrockengewicht auf die damalige Unkenntnis über die extrem geringe Größe des natürlichen Bakterioplanktons zurück.
Geht man von der Überlegung aus, daß sich ein großer Anteil des Bakterioplanktons aus kokkalen Zellen mit einem Durchmesser von 0,3 (im zusammensetzt (Watson et al., 1970; Fuhrman, 1981), die dann ca.
7.5 fg C Zelle’1 (nach der in dieser Studie verwendeten Konversionsfunktion) beinhalten, scheinen DNA - Gehalte mit einem Trockengewichtsanteil von 0,3 - 5,2 % zu niedrig zu sein (Fuhrman & Azam, 1982). Wird für solche Zellen - ausgehend von einem 50 %igen Kohlenstoffgehalt am Trockengewicht (Simon & Azam, 1989) - ein von Spektor (1956) und DeDeken & DeDeken (1959) im mittleren Bereich liegender 1,5 %iger DNA - Anteil am Trockengewicht gewählt, so ergibt sich ein DNA - Gehalt von 0,23 fg DNA Zelle'1, was gegenüber dem DNA - Gehalt des Bakteriophagen Lambda, der nur ca. 50 Gene enthält (Watson, 1970), lediglich eine um das 4,6fache höhere DNA - Konzentration ausmacht. Mit großer Wahscheinlichkeit ist für die genetischen Informationen unabhängig lebender Zellen ein deutlich größerer DNA - Gehalt Zelle*1 zugrunde zu legen.
Aktuellere Arbeiten (Kingsbury, 1969; Bak et al., 1970) berichten von einem DNA Zellgehalt von 1,7 -11.5 fg DNA Zelle'1, während Stanier et aL (1976) mit Werten von 0,8 - 4,8 fg DNA Bakterienzelle'1 relativ geringe DNA - Zellkonzentrationen veröffentlichten. Somit fügen sich die in dieser Studie erarbeiteten pDNA - Ergebnisse gut in das Gesamtbild anderer Studien ein. Auch die Verifizierung der pDNA - Messungen aufgrund theoretischer Überlegungen und mit neueren Literaturwerten deutet eine realistische Erfassung der ambienten pDNA - Konzentrationen für das Bakterioplankton an.
Dennoch muß die Abschätzung der spezifischen pDNA - Gehalte der Bakterienzellen unter Berücksichtigung des Ordinatenabschnittes und des mittleren prozentualen Anteils der pDNA - Konzentration in der Größenklasse s 0,2 - < 1 jun auf jeden Fall kritisch bewertet werden und k ann nur als eine Annäherung an reale Verhältnisse gesehen werden. Dieses gilt besonders für die pDNA - Konzentrationen aus der Tiefsee, da eine Korrektur über den Ordinatenabschnitt bei sehr geringen Korrelationskoeffizienten sehr fragwürdig erscheint und die generelle Aussagekraft der Ordinatenabschnitte kritisch beurteilt werden muß (s.
u.). Demzufolge können die im Kapitel 4.13. angestellten Überlegungen bezüglich des Konversionsfaktors für die Berechnung der mikrobiellen Zellproduktion aus der [^H - Methyl] - Thymidin - Inkorporation lediglich eine ungefähre Abschätzung der Faktorgrenzen ergeben (vergl. Kapitel 4.13.).
Nicht in jedem Fall konnte mit den mikrobiologischen Variablen ein übereinstimmendes Verteilungsmuster festgestellt werden. Daß zumindest lokal die Präsenz von O rganism en mit hohen pDNA
-Gehalten (Zellkolonien und Metazoen) einen Einfluß auf die pDNA - Gesamtkonzentration ausübt, muß bei der Bewertung der Einzelergebnisse berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang steht auch die mögliche Assoziation von pDNA mit Detrituspartikeln. Hinweise hierfür ergeben sich bei den Korrelationsversuchen der Bakterienabundanz mit dem pDNA - Gehalt aus den positiven Ordinatenabschnitten. Selbst unter Berücksichtigung aller ermittelten auto- und heterotrophen Zellzahlen für die Kieler Bucht und Kieler Förde scheint ein Teil der pDNA - Konzentration keine Beziehung zu biologischen Variablen zu besitzen. Dieser Sachverhalt muß jedoch an dieser Stelle relativiert werden, da aufgrund der Regressionsanalyse jeder Zelle ein gleicher pDNA - Gehalt zugeordnet wird und hiervon abweichende, spezifische pDNA - Zellgehalte für die Berechnung des Ordinatenabschnittes nicht berücksichtigt werden, so daß die im Rahmen dieser Studie ermittelten Ordinatenabschnitte nicht in jedem Fall auf die Anwesenheit weiterer pDNA - Quellen hinweisen müssen. So wies Holm - Hansen (1969a) für Phytoplanktonarten unterschiedlicher Zellgröße (Koh
lenstoffgehalt) einen zur Größe proportionalen, spezifischen DNA - Gehalt von 100 (Monochrysis lutheri und Navicula pelliculosa) bis 200000 fg DNA Bakterienzelle"1 (Gonyaulax polyedra) nach.
Inwieweit an Detritus gebundenerpDNA (detDNA) eine Bedeutung bei der pDNA - Messung zukommen könnte, soll kurz erörtert werden. Hohe Anteile an detDNA vermuteten Holm - Hansen et al. (1968), Holm - Hansen (1969) und Sutdiffe et a l (1970). In diesen Untersuchungen wurde das Bakterioplankton quantitativ nicht erfaßt. Die Diskrepanz der gemessenen pDNA - Konzentrationen zur lebenden Biomasse wurde deshalb durch signifikante Beiträge der detDNA am Gesamt - pDNA - Gehalt erklärt. Winn & Karl (1986) erweiterten den Term der detDNA um den Anteil der pDNA, die mit toten oder dormanten Zellen assoziiert ist (nicht replikative pDNA (nrDNA)), und berechneten für den Pazifischen Ozean einen nrDNA - Anteil von 77 - 83 % an der Gesamt - pDNA - Konzentration. Eine Zuordnung des detDNA - Beitrages zum nrDNA - Gehalt war ihnen jedoch nicht möglich. Neuere Untersuchungen, die die Abundanz und Biomasse der Bakterien berücksichtigen (Falkowski & Owens, 1982; Fuhrman & Azam, 1982; Dortch et al., 1983; Paul & Carlson, 1984;
Paul et aL, 1985; diese Studie mit Ausnahme der Ergebnisse aus dem Zingster Strom und den Wassereinschlüssen), weisen auf eine möglicherweise eher geringere detDNA - Konzentration hin.
Ein denkbarer Mechanismus für die Bildung von detDNA ist neben der zu vermutenden Existenz von an Zellresten gebundener pDNA auch eine Adsorption von gelöster DNA (dDNA) an die Detritusoberfläche.
Daß mit einem Konzentrationsbereich von 0,05 - 88,00 mg dDNA m die gelöste dDNA im oligo- bis eutrophen aquatischen Milieu eine wichtige Komponente des DOM darstellt, wiesen unlängst Minear (1972), Pillai & Ganguly (1972), Breter et al. (1977), DeFlaun et al. (1986), Paul et al. (1987), DeFlaun et al. (1987) und Karl & Bailiff (1989) nach. Die Verteilung der dDNA folgte der pDNA - Konzentration, der Ralrtpripnahnnrlan? sowie der mikrobiellen Netto - Sekundärproduktion, was vermuten läßt, daß das Bakterioplankton eine bedeutende Quelle (z. B. Mortalität, Lysis, Exkretion) für die dDNA darstellt (DeFlaun et aL, 1987). Umsatzzeiten von weniger als einem Tag für den dDNA - Gehalt im Oberflächenwasser (DeFlaun et al., 1987; Paul et a i, 1987) weisen auf einen rapiden Abbau dieses Biomoleküls hin. Verantwortlich für diesen raschen Umsatz dürften v. a. Bakterien sein, die durch zellwandassozüerte oder exkretierte Enzyme in
der Lage sind DNA zu hydrolysieren. So wiesen Maeda & Taga (1973) in 1 ml Meerwasser 10^ zur DNA - Hydrolyse fähige Bakterienzellen über Koloniezählungen nach.
Untersuchungen zur Quantifizierung einer möglichen Adsorption von dDNA an Detritusoberflächen wurden bisher noch nicht durchgeführt. Da die dDNA in aquatischen Systemen einem hohen ’tum - over*
unterliegt, k an n im Hinblick auf die in dieser Studie zusammengefaßten Ergebnisse über die pDNA - Konzentrationen und spezifischen DNA - Gehalte der BakterienzeDen eher ein geringer Einfluß der detDNA auf die Messung der pDNA - Konzentration vermutet werden. Diese Aussage beschränkt sich jedoch auf den Bereich des marinen Pelagials. Im Sediment dürfte die Adsoption von dDNA an Partikel ungleich höher liegen, da DNA auf silikathaltiges Material mit einem hohen Adsorptionsvermögen reagiert, das in vielen Verfahren für die DNA - Extraktion (z. B. mit Glasstäben und Glasmilch) genutzt wird. Hieraus würde eine Überschätzung der mit intakten Zellen assoziierten pDNA resultieren, wenn nicht vor dem Zellaufschluß eine Auslösung der an Sandpartikel adsorbierten DNA erfolgen würde. Ein geeignetes Verfahren hierfür könnte ein mehrmaliges Waschen der Proben mit 0,1 M SSC - Puffer (siehe Kap. 2.4.2.) darstellen.
Die Korrelationsanalyse des pDNA - Gehaltes (s. Abb. 3.65) ergibt mit Au sn ah m e der Experimente in Zingst für die Bakterienabundanz und mikrobielle Netto - Sekundärproduktion in allen anderen Untersuchungsgebieten einen Korrelationskoeffizienten von r S 0,8. Vergleichbar hohe Korre
lationskoeffizienten werden auch mit den Pikocyanobakterien (zentrale Ostsee und Nordostatlantik) sowie mit dem POC - und PON - Gehalt (zentrale Ostsee, Nordostatlantik) und dem Chlorophyll a - Gehalt (zentrale Ostsee) erreicht. Dabei muß trotz der hohen Korrelationskoeffizienten v. a. für die planktologischen Variabein nicht zwingend eine funktionale Beziehung der Variablen angenommen werden. Dieses wird umso deutlicher, wenn berücksichtigt wird, daß nahezu 61 - 85 % der bestimmten pDNA - Konzentrationen in erster Linie der Bakterienabundanz zuzuordnen sind, die insgesamt an den biologischen Summenvariablen nur einen geringen Anteil ausmacht. Aus dem generellen Vergleich der Korrelationskoeffizienten aller Variablen ergeben sich für die Untersuchungsgebiete mit hohen allochthonen Einträgen (Kieler Bucht, Kieler Förde, Zingster Strom und Wassereinschlüsse) generell niedrigere Koeffizienten als für die von allochthonen Rmfliismn eher unberührten Untersuchungsgebiete in der zentralen Ostsee und im Nordostatlantik.