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Occurrence and life-cycle strategies of bloom-forming Nostocales (cyanobacteria) in deep lakes in Northern Germany and in Lake Kinneret, Israel

Vorkommen und Lebenszyklus-Strategien nostocaler Cyanobakterien in tiefen geschichteten Seen Norddeutschlands und des Sees Genezareth, Israel

  • Nostocalean cyanobacteria differentiate heterocysts to fix dissolved nitrogen (N2) and dormant cells (akinetes) to survive harsh environmental conditions. The distribution and proliferation of Nostocales and their hibernation strategies in deep stratified lakes of different trophic states and climate zones were investigated. Studies were carried out in the meso-eutrophic Lake Kinneret (Israel) and in the mesotrophic Lake Scharmützelsee and the oligo-mesotrophic Lake Stechlinsee (Germany). The spatio-temporal distribution of akinetes in sediments was analysed. The abundance in the sediment surface increased with water depth and differed due to basin morphometry. Light and temperature distribution revealed shallow areas of sedimentary akinete pool as a potential inoculum to contribute to the formation of a pelagic population. Hence, a small viable akinete pool was deposited in shallow sediments. A CARD-FISH protocol was implemented to identify and quantify the akinetes in sediments. Tested Nostocales strains and akinetes in sedimentNostocalean cyanobacteria differentiate heterocysts to fix dissolved nitrogen (N2) and dormant cells (akinetes) to survive harsh environmental conditions. The distribution and proliferation of Nostocales and their hibernation strategies in deep stratified lakes of different trophic states and climate zones were investigated. Studies were carried out in the meso-eutrophic Lake Kinneret (Israel) and in the mesotrophic Lake Scharmützelsee and the oligo-mesotrophic Lake Stechlinsee (Germany). The spatio-temporal distribution of akinetes in sediments was analysed. The abundance in the sediment surface increased with water depth and differed due to basin morphometry. Light and temperature distribution revealed shallow areas of sedimentary akinete pool as a potential inoculum to contribute to the formation of a pelagic population. Hence, a small viable akinete pool was deposited in shallow sediments. A CARD-FISH protocol was implemented to identify and quantify the akinetes in sediments. Tested Nostocales strains and akinetes in sediment samples were successfully labelled with 16S rRNA targeted probes and microscopically detected by their fluorescence signal. Akinete enumeration in field samples confirmed the suitability of the CARD-FISH approach. Species- or genus-specific differences in the overwintering strategies of Nostocales were observed. Akinetes were the only overwintering form of Anabaena spp. On the other hand, Aphanizomenon flos-aquae overwintered as vegetative filaments in the pelagial of Lake Stechlinsee. In the other lakes studied, Aphanizomenon spp. performed an intermediate life cycle, with akinetes and a small pelagic population in winter. This suggested that Aphanizomenon spp. had another overwintering strategy contrary to the exclusively dormant strategy of Anabaena spp. Putative strains of cylindrospermopsin (CYN)-producing Aphanizomenon ovalisporum were isolated from Lake Kinneret. Their morphologic and phylogenetic diversity, as well as the presence of CYN-encoding gene cluster and CYN production, were analysed. Four of the six strains were assigned to Anabaena bergii. Although all the isolated strains possess at least fragments of CYN gene cluster, no CYN production was detected. Non-CYN-producing Aphanizomenon ovalisporum strains and the presence of non-toxic Anabaena bergii in Lake Kinneret have not been reported before. This suggested that toxic and non-toxic Nostocales strains can coexist in lakes.show moreshow less
  • Nostocale Cyanobakterien bilden Heterozysten zur Fixierung molekularen Stickstoffs (N2) aus und entwickeln dormante Stadien (Akineten) zur Überdauerung ungünstiger Umweltbedingungen. In dieser Studie wurden die Verteilung sowie die Verbreitung der Nostocales und ihre Strategien zur Überwinterung in tiefen geschichteten Seen unterschiedlicher Trophie und unterschiedlicher Klimazonen untersucht. Die Untersuchungsgewässer waren der meso-eutrophe See Genezareth (Israel), der mesotrophe Scharmützelsee sowie der oligo-mesotrophe Stechlinsee (Deutschland). Die räumlich-zeitliche Verteilung der Akineten im Seesediment wurde untersucht. Die Abundanz an der Sedimentoberfläche steigt mit zunehmender Wassertiefe und die Artzusammensetzung kann sich aufgrund der Seebeckenmorphometrie unterscheiden obwohl sie im Pelagial sehr ähnlich ist. Die Licht- und Temperaturbedingungen im See ermöglichen nur dem Akineten-Pool der Flachwasserbereiche als Inokulum zur Bildung einer pelagischen Population beizutragen. In den Sedimenten der flachen BereicheNostocale Cyanobakterien bilden Heterozysten zur Fixierung molekularen Stickstoffs (N2) aus und entwickeln dormante Stadien (Akineten) zur Überdauerung ungünstiger Umweltbedingungen. In dieser Studie wurden die Verteilung sowie die Verbreitung der Nostocales und ihre Strategien zur Überwinterung in tiefen geschichteten Seen unterschiedlicher Trophie und unterschiedlicher Klimazonen untersucht. Die Untersuchungsgewässer waren der meso-eutrophe See Genezareth (Israel), der mesotrophe Scharmützelsee sowie der oligo-mesotrophe Stechlinsee (Deutschland). Die räumlich-zeitliche Verteilung der Akineten im Seesediment wurde untersucht. Die Abundanz an der Sedimentoberfläche steigt mit zunehmender Wassertiefe und die Artzusammensetzung kann sich aufgrund der Seebeckenmorphometrie unterscheiden obwohl sie im Pelagial sehr ähnlich ist. Die Licht- und Temperaturbedingungen im See ermöglichen nur dem Akineten-Pool der Flachwasserbereiche als Inokulum zur Bildung einer pelagischen Population beizutragen. In den Sedimenten der flachen Bereiche lagert nur ein kleiner Teil des Akineten-Pools. Ein CARD-FISH-Protokoll wurde zur Identifizierung und Quantifizierung von Akineten im Sediment modifiziert. Mit spezifischen 16S rRNA Sonden wurden Nostocales-Stämme und Akineten in Sedimentproben erfolgreich angefärbt und anhand ihres Fluoreszenzsignals mikroskopisch erfasst. Vergleichszählungen mit herkömmlicher Hellfeldmikroskopie bestätigten die Eignung der CARD-FISH-Methodik. Weiterhin wurden Unterschiede in den Überwinterungsstrategien der Nostocales beobachtet. Anabaena spp. überwintern ausschließlich als Akineten, wohingegen Aphanizomenon flos-aquae rein vegetativ im Pelagial des Stechlinsees überdauert. Andere Aphanizomenon spp. vollzogen in den anderen untersuchten Seen einen intermediären Lebenszyklus mit Akinetenbildung und einer geringen pelagischen Population im Winter. Dies deutete darauf hin, dass Aphanizomenon spp. eine andere Überwinterungsstrategie gegenüber der ausschließlich dormanten Strategie von Anabaena spp. verfolgt. Aus dem See Genezareth wurden mutmaßlich Cylindrospermopsin (CYN)-produzierende Stämme von Aphanizomenon ovalisporum isoliert. Neben ihrer CYN-Produktion und dem Vorhandensein des dafür codierenden Genclusters wurden die Stämme morphologisch und phylogenetisch analysiert. Keines der Isolate produzierte CYN obwohl zumindest Fragmente des CYN-Genclusters nachgewiesen wurden. Bei einem Teil der isolierten Stämme handelte es sich um Anabaena bergii. Bislang war weder das Vorkommen der nicht-toxischen Anabaena bergii noch das von nicht CYN produzierenden Aphanizomenon ovalisporum-Stämmen im See Genezareth bekannt. Dies lässt auf eine Koexistenz von toxischen und nicht-toxischen Nostocales Stämmen in Seen schließen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Jessica Ramm
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31729
Referee / Advisor:Prof. Dr. rer. nat. habil. Brigitte Nixdorf
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Date of final exam:2014/01/10
Release Date:2014/10/23
Tag:Akineten; Cyanobakterien; Cylindrospermopsin (CYN); Lebenszyklusstrategien; Seesediment
Akinetes; Cyanobacteria; Cylindrospermopsin (CYN); Lake sediment; Life-cycle strategies
GND Keyword:Brandenburg; Israel; Seesediment; Cyanobakterien; Klimazone; Lebensdauer
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Gewässerökologie
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Gewässerschutz
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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