Open Access

Doreen Schultz

• A significant fraction of the decaying algal biomass in marine ecosystems is expected to be mineralized by particle-associated (PA) heterotrophic bacterial communities, which are thus greatly contributing to large-scale carbon fluxes. Whilst numerous studies have investigated the succession of free-living (FL) marine bacteria, the community structure and functionality of PA bacterial communities remained largely unexplored and knowledge on specific contributions of these microorganisms to carbon cycling is still surprisingly limited. This has mostly been due to technical problems, i.e., caused by the enormous complexity of marine particles and the high abundance of eukaryotic microorganisms within these particles. This thesis presents (a) an optimized metaproteomics protocol for an in-depth characterization of marine PA bacteria, (b) an application example with FL and PA communities sampled during a spring phytoplankton bloom in 2009 in the North Sea, which confirmed the reliability of the optimized metaproteomic workflow, (c) the metaproteomic analysis of particulate communities sampled during a spring phytoplankton bloom in 2018, resulting in an as yet unprecedented number of identified protein groups of the bacterial response bloom and (d) a proteomic analysis of a PA bacterial isolate grown on the two naturally abundant marine polysaccharides laminarin and alginate. The observed succession of bacterial clades during metaproteomic analyses of the investigated blooms highlights individual niche occupations, also visible on genus level. Additionally, functional data shows evidence for the degradation of different marine polysaccharides e.g., laminarin, alginate and xylan supporting the important role of PA bacteria during the turnover of oceanic organic matter. Furthermore, most of the identified functions fit well with the current understanding of the ecology of an algal- or surface-associated microbial community, additionally highlighting the importance of phytoplankton-bacterial interactions in the oceans. More detailed insights into the metabolism of PA bacteria were gained by the proteomic characterization of a selected PA bacterial isolate grown on laminarin and alginate. Functional analyses of the identified proteins suggested that PA bacteria employ more diverse degradation systems partially different from the strategies used by FL bacteria.
• Ein signifikanter Teil zerfallender Algen-Biomasse im marinen Ökosystem wird von Partikel-assoziierten (PA) heterotrophen bakteriellen Gemeinschaften mineralisiert, welche dadurch einen wichtigen Beitrag zum marinen Kohlenstoff-Kreislauf leisten. Während zahlreiche Studien die Sukzession von frei-lebenden (FL) marinen Bakterien untersucht haben, ist die Struktur von PA Gemeinschaften und deren Funktionalität größtenteils unentdeckt und das Wissen über ihren spezifischen Beitrag zum Kohlenstoff-Kreislauf überraschend gering. Das liegt vor allem an technischen Problemen, wie der enormen Komplexität mariner Partikel und der hohen Abundanz eukaryotischer Mikroorganismen innerhalb dieser Partikel. Diese Dissertation beinhaltet (a) ein optimiertes Protokoll für die metaproteomische Analyse von marinen PA Gemeinschaften, (b) ein Anwendungsbeispiel mit Proben von FL und PA Gemeinschaften einer Frühjarsalgenblüte im Jahr 2009, das die Verlässlichkeit des optimierten metaproteomischen Protokolls bestätigte, (c) die metaproteomische Analyse PA Gemeinschaften einer Frühjahrsalgenblüte im Jahr 2018, die zu einer bis jetzt beispiellos hohen Zahl identifizierter Proteingruppen führte, und (d) die proteomische Analyse eines PA Isolats, das auf zwei in der Natur abundanten Polysacchariden, Laminarin und Alginat, wuchs. Die beobachtete taxonomische Sukzession bakterieller Gruppen, ebenfalls sichtbar auf Genus-Level, hebt deren individuelle Anpassung an verschiedene Nischen im marinen Raum hervor. Zusätzlich gaben die funktionellen Daten Hinweise auf die Degradation verschiedener mariner Polysaccharide, wie Laminarin, Alginat und Xylan. Dies unterstreicht die wichtige Rolle von PA Bakterien innerhalb der Umsetzung organischer Materie. Außerdem unterstützten die meisten Funktionen der identifizierten Proteingruppen das aktuellen Verständnis der Ökologie von Algen- oder Oberflächen-assoziierten mikrobiellen Gemeinschaften. Diese Ergebnisse heben zusätzlich die Wichtigkeit von Interaktionen zwischen Algen und PA Bakterien in den Ozeanen hervor. Detailliertere Einblicke in den Metabolismus von PA Bakterien konnten durch die proteomische Analyse eines PA Isolats gewonnen werden. Die Ergebnisse dieser Analyse gaben Hinweise darauf, dass PA Bakterien diverse Degradationssysteme verwenden, die sich teilweise von denen der FL Bakterien unterscheiden.