Marine Bakteriengemeinschaften unter dem Einfluss von Elbbaggergut

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Marine Bakteriengemeinschaften unter dem Einfluss von Elbbaggergut

Rebecca Störmer Dr. Gunnar Gerdts, Dr. Antje Wichels

LLUR Symposium,15. März 2012

1

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2 HPA Report 2007

Seit 2005: ~ 6Mio m³ Sediment

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Monitoringprogramm

http://www.bsh.de/de/Meeresdaten/Beoba chtungen/BLMP-

Messprogramm/BLMP_Datenarchivierung /Benthos/benthos_einf.jsp

www.bgisequence.com

http://www.welt.de/multimedia/archive/01065/Scholle2_DW_Wis sen_1065068p.jpg

http://www.idus.de/Bilder/TOX-Alge1.jpg

3 Makrozoobenthos Chemische Analysen

Ökotoxikologische Analysen

Fischfauna

Bakterien

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Bakterielle Gemeinschaft

• Häufigsten Sedimentorganismen

• Fähigkeit sich schnell an verändernde Umweltbedingungen anzupassen

– Veränderungen der Gemeinschaftsstruktur

4 www.bgisequence.com

Kann man Gemeinschaftsanalysen als Proxy für Umweltveränderungen

einsetzen?

(5)

Fragestellungen

• Unterscheiden sich Bakteriengemeinschaften an Einbringstelle und Referenzgebiet?

• Welche kontextuellen Parameter können die Verteilung der Bakteriengemeinschaften erklären?

• Welche Bakteriengruppen können in ausgewählten Proben ermittelt werden?

5

(6)

6

(7)

Methods

7

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Methods

8

(9)

ITS

16S rRNA 23S rRNA 5S

tRNA tRNA

Ribosomales Operon

ITS

16S 23S

Infrarot gelabelt

Molekulare Fingerprintmethode

A ^utomated R ^ibosomal I ^ntergenic S ^pacer A ^nalysis

9 Konvertierung der Profile in numerische Daten

Gemeinschaftsprofile

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10 Bakteriengemeinschaftstruktur (NMDS)…

Zehn Monate seit letzter Verbringung August 2009

Große Variabilität innerhalb der Gemeinschaften

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11 Einbringstelle vs Referenzgebiet(NMDS)…

April 2010

Sechs Monate seit letzter Verbringung August 2010

10 Monate seit letzter Verbringung

Jaccard Index 2D Stress: 0.13

Jaccard Index

2D Stress: 0.17

Jaccard Index

Region Zentrum Referenz Einbringstelle

2D Stress: 0.17

August 2009

Zwei Monate seit letzter Verbringung

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…und in Bezug zu kontextuellen Daten Redundanzanalyse (RDA)

12 Gemeinschaftsinformation Kontextuelle Information

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13 August 2009 April 2010

Zehn Monate nach letzter Verbringung Zwei Monate nach letzer Verbringung August 2010

Sechs Monate nach letzter Verbringung

…und in Bezug zu kontextuellen Daten (Redundanzanalyse)

-0.8 0.8

-0 .8 0 .8

20-63µm TOC 100-200µm

200-630µm 630-1000µm

1000-2000µm

nitrogen

sulphur phosphor hydrocarbons Sum PAH

Sum PCB

Sum HCH Sum DDX

Sum organotin compounds

cadmium

chrome copper

mercury

-0.6 1.0

-0. 6 1. 0

<20 µm 20 – 63µm 63 – 100µm

200 - 630µm

630 – 1000µm 1000-2000µm nitrogen

hydro ca´rbons Sum PAH

PCB Summ

Sum HCH Sum organotin compounds

arsenic lead chrome copper

mercury zinc

0 8 1 0

-0 .6 0 .6

<20µm

20 – 63µm 63 - 100 630 - 10

1000-200

nitrogen phosphor hydrocarbons

Sum PAH Sum PCB Sum HCH

Sum DDX Sum organotin compounds

arsenic cadmium

chrome

copper

nickel

mercury

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14 Sequenzierung der hoch konservierten 16S Region (V1-V6)

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15 Phyla distribution

E lb e

dum pi ng cent

re 1. 5k m

2k m _1 2k m _2

3k m _1 3k m _2

ref er enc e_1

ref er enc e_2

%

0 20 40 60 80 100

Acidobacteria Actinobacteria Bacteroidetes Chloroflexi Deferribacteres Deinococcus-Thermus Firmicutes Fusobacteria Lentisphaerae Nitrospira Planctomycetes Proteobacteria Spirochaetes Synergistetes Tenericutes Verrucomicrobia others unclassified

Class distribution Proteobacteria

Elbe

dum ping

cent re

1.5km 2km_1

2km_2 3km_1

3km_2 referenc

e_1 referenc

e_2

%

0 20 40 60 80 100

Alphaproteobacteria Betaproteobacteria Deltaproteobacteria Epsilonproteobacteria Gammaproteobacteria unclassified

Order distribution Deltaproteobacteria

Elbe

dum ping cent

re 1.5km

2km_1 2km_2

3km_1 3km_2

referenc e_1

referenc e_2

%

0 20 40 60 80 100

Bdellovibrionales Deltaproteobacteria_

order_incertae_sedis Desulfobacterales Desulfovibrionales Desulfuromonadales Myxococcales Syntrophobacterales unclassified

Family distribution Desulfobacterales and Desulfuromonadales

Elbe

dum ping

cent re

1.5km 2km_1

2km_2 3km_1

3km_2 referenc

e_1 referenc

e_2

%

0 20 40 60 80 100

Desulfobacteraceae Desulfobulbaceae

Desulfobacteraceae unclassified Desulfuromonadaceae Geobacteraceae

Deslfuromonadaceae unclassified

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Zusammenfassung

• Bakteriengemeinschaften der Einbringstelle und des Referenzgebietes:

– Unterscheiden sich signifikant

– Erneute Verbringung von Sedimenten führte wahrscheinlich zu signifikant verschiedenen Bakteriengemeinschaften des Zentrums und des Außenbereichs der Einbringstelle

• Korngrößenverteilungen und Schadstoffe bilden starken Gradienten:

– Signifikante konditionale Effekte von Organozinnverbindungen in allen Analysen

16

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Zusammenfassung

• Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften:

– Fluviatiles und marines Milieu unterscheiden sich signifikant

– Einbringstelle und andere marine Stationen unterscheiden sich signifikant

• Unterschiede auf höherer taxonomischer Ebene sichtbar

• Betrifft vor allem sulfatreduzierende Bakteriengruppen der Deltaproteobakterien

• An der Einbringstelle stärker vertretende Gruppen konnten bereits in anderen Studien mit dem Abbau von organischen Schadstoffen in Verbindung gebracht werden

17

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Schlussfolgerung

• Der Eintrag von Elbsedimenten beeinflusst die Struktur und Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften

 Proxy Funktion

• Einbeziehung und Weiterentwicklung von Analysen der Bakteriengemeinschaften in künftige Umwelt- monitoringprogramme

18

(19)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!!

19 ACKNOLEDGMENTS

• Mathis von Ahnen (Bachelor student) – „E3 sampling crew“

– Dr. Maja Karrasch, Rolf Lüschow

• Finanzierung:

– HPA, LLUR, BfG, NLWKN

– Graduate School POLMAR

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Additional material

20

(21)

21 Bakteriengemeinschaftsstruktur (nMDS)…

Zehn Monate nach letzter Verbringung August 2009

Sechs Monate nach letzter Verbringung

April2010

Zwei Monate nach letzter Verbringung

2D Stress: 0.23

2D Stress: 0.21

August 2010

(22)

22 Bakteriengemeinschaftsstruktur (nMDS)…

Zehn Monate nach letzter Verbringung August 2009

Sechs Monate nach letzter Verbringung

April2010

Zwei Monate nach letzter Verbringung

2D Stress: 0.23

2D Stress: 0.21

August 2010

Unterschiedliche Gemeinschaftsstrukturen der

jeweiligen Beprobungskampagnen

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Location of the dumping site

23 Introduction

HPA Report 2007

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DNA Extraction

IGS Amplification

Community profiles

Statistical analysis ₂₄

(25)

25

(26)

26 August 2009

Mittelwert

Mittelwert±0.95 Konf. Interv.

c e nt er d um pi ng s it e 1 k m 1 .5 k m 2k m _1 2k m _2 3k m _1 3k m _2 6 k m 9 k m 1 2 k m ref e re nc e

Sample region 10

20 30 40 50 60 70 80 90

S um ba nd s

April 2010

Mittelwert

Mittelwert±0.95 Konf. Interv.

c e nt er d um pi ng s it e 1 k m 1 .5 k m 2 k m 3 k m 6 k m 9 k m 1 2 k m ref e re nc e

Sample region 25

30 35 40 45 50 55 60

S um ba nd s

August 2010

Mittelwert

Mittelwert±0.95 Konf. Interv.

centre dumping site 1km 1.5km 2km 3km 3_2km 6km 9km 12km reference

Sample region 30

40 50 60 70 80 90 100 110

Sum bands

(27)

Current research

• Revealing function and identity of representative microbial communities

• Detailed investigation of the seasonal succession in microbial communities in the German Bight

27 GeoChip Array 454 Sequencing

(28)

28 grain size fractions Sum Hexachlorocyclohexane (HCH)

< 20µm alphaHCH

20-63µm betaHCH

63-100µm gammaHCH

100-200µm deltaHCH

200-630µm

630-1000µm Sum DDX

1000-2000µm ppDDE

opDDD

S, N, P, C ppDDD

TOC opDDT

nitrogen ppDDT

sulfur

phosphor Sum organotin compounds

MBT

hydrocarbons DBT

TBT Sum Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) tetrabutyltin naphthaline

fluorene Heavy metals

phenanthrene arsene

anthracene plumb

fluoranthene cadmium

pyrene chrome

benz(a)anthracene copper

chrysene nickel

benzo(b)fluoranthene mercury

benzo(k)fluoranthene zinc

benzo(a)pyrene dibenz(ah)anthracene benzo(ghi)perylene indeno(1.2.3cd)pyrene

Sum chlorinated diphenyls (PCB) PCB28

PCB52

PCB101

PCB118

PCB138

PCB153

PCB180

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Ocean dumping

• Liquid wastes

– Dilute acid, sludge (prohibited in Germany)

• Dredged material

– Dredging of harbours and rivers

Threats for ecosystems

http://www.geo-

reisecommunity.de/bild/regular/410885/Verklappu ng-oder-Sandaufspuelung.jpg

29

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Origin of the sediment

30 HPA Report 2007

Since 2005: appr. 5mio m³ material

(31)

100 (%)

Anaerolineae Caldilineae KD4-96 GIF9 vadinBA26 other

1397 (%)

228 (%) 21 (%)

33 (%)

41 (%)

48 (%)

77 (%)

84 (%)

Phylum: Chloroflex

3%

7%

4%

8-14%

3%

Elbe

3km south

2km south 1.5km 2km north

3km north

Reference centre

Resolution Family

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100 (%)

Desulfobulbus

Desulfobulbaceae;uncultu red

Desulfobacteraceae;endo symbionts Desulfarculaceae;uncultur ed

Desulfobulbaceae;SEEP- SRB4

1397 (%)

Desulfobulbus

228 (%)

Desulfobulbus

21 (%)

Desulfobulbus

33 (%)

Desulfobulbus

41 (%)

Desulfobulbus

48 (%)

Desulfobulbus

77 (%)

Desulfobulbus Desulfobulbaceae;uncultu red

84 (%)

Desulfobulbus

Marine Bakteriengemeinschaften unter dem Einfluss von Elbbaggergut