Metabolic pathways of aggregate-associated microbes along estuarine gradients

Abstract

Estuarine systems are essential for global carbon cycling; mediating exchanges between aquatic, atmospheric, and terrestrial systems. Estuaries are important blue carbon storage and greenhouse gas processing centres. In estuaries particles undergo microbial transformation and vertical/horizontal transport, shaping organic matter. Yet, connections between estuarine dissolved and particulate organic matter, and their relationship to microbiome composition and functions, remain poorly explored.

I investigate organic matter and microbiome dynamics across the Elbe Estuary’s highly dynamic and turbid gradients, using a multifaceted approach. Particles were fractionated into suspended and sinking fractions, using microscopy to determine carbon characteristics (SYBR Green I for bacterial colonisation and Alcian Blue and Coomassie Brilliant Blue for exopolymers), elemental analysis (C/H/N), and dry weight analysis to identify compositional differences. Dissolved parameters included nutrient and carbon abundance, and spectrofluorometric evaluations to characterise physicochemical concentrations and dissolved organic matter properties. Finally, samples underwent shotgun metagenome, and metatranscriptome sequencing to determine microbiome composition, functional potential, and transcription profiles.

The initial focus was to determine whether particulate and dissolved organic carbon dynamics were shaped by spatiotemporal gradients, including seasonality (e.g. phytoplankton blooms) and salinity (e.g. freshwater inflow). No consistent salinity-driven carbon patterns were revealed, likely due to strong mixing forces and high particle heterogeneity. However, suspended organic carbon could be linked to terrestrial-like signatures, while sinking organic matter was linked to marine-like dissolved organic matter. Across the estuary, bacterial colonisation decreased with increasing salinity, indicative of microbial community composition and functional shifts. The integration of microbiome data agrees, linking colonisation across the salinity gradient to the presence of osmoregulation genes.

Microbiome integration built on the descriptive assessment of carbon dynamics in the Elbe Estuary, linking relevant variables to the microbiome composition and functionality. In agreement with current knowledge, free-living and particle-associated microbiomes showed significant differences, although the separation of suspended and sinking fractions in such a highly turbid environment represents novel investigations. One of which shows sinking particle-associated microbiomes preferentially expressing coenzyme M biosynthesis, a methanogenesis cofactor, while suspended particleassociated transcripts favour energy acquisition and growth.

Findings show how environmental changes such as dredging, projected sea-level rise, and decreased freshwater inflow may drive microbial shifts and methane oxidation, with higher suspended-sinking particle ratios potentially reducing methane concentrations. My work highlights how multifaceted approaches provide deeper analyses, studying organic carbon dynamics and microbial processes in a highly turbid estuary, offering ecological context and informing climate-resilient management.

Ästuare, als Flussgebiete, die in die Ozeane münden, spielen eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Sie speichern Kohlenstoff ‚Blue Carbon‘ und sind somit ein Reservoir für den Austausch von CO2. Sie tragen zum Austausch von Treibhausgasen und Kohlenstoff zwischen Land, Wasser und Luft aus, und haben einen wichtigen Einfluss auf das globale Klima.

In Flussmündungen wird die Verwertung des Kohlenstoffs unter anderem durch Partikel und die auf ihnen lebenden Mikroben beeinflusst. Aufgrund der relativ hohen Anzahl an Partikeln, ist der Einfluss beachtlich. Es gibt jedoch große Wissenslücken, wie der Wasser gelöste Kohlenstoff mit den umliegenden Partikeln und deren assoziiertem Mikrobiota, interagiert und welche Rolle die Mikrobiota für CO2-fixierende oder CO2-Freisetztungsprozesse sind.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation habe ich die qualitative und quantitative Veränderung des gelösten Kohlenstoffs (Corg/anorg) analysiert und dabei insbesondere die Veränderungen in der Mikrobiota in der Wassersäule der Elbe untersucht. Das Elbe Ästuar, einer der größten und wirtschaftlich wichtigsten Ästuars Deutschlands, ist bekannt für erhöhte Dynamiken in der Wassertrübheit und Kohlenstoffanteile. Ich habe unterschiedliche Methoden und Techniken angewandt, um z. B. schwimmende und sinkende Partikel zu trennen, den Kohlenstoff/Stickstoff Gehalt, sowie bakterielle Zellzahlen und Mikrobiota zu bestimmen. Anhand analytischer Methoden konnten gelöste Konzentrationen, sowie Eigenschaften von Nährstoffen (z. B. Ammonium und Sauerstoff) und Kohlenstoffmengen und deren Dynamiken bestimmt werden. Schließlich wurde das genetische Potential der Mikrobiota der Wassersäule sowie die exprimierten Gene unter verschiedenen räumlichen und zeitlichen Bedingungen mithilfe von Next-Gen Sequenzierung bestimmt. Mit Hilfe dieser tiefen Datensätze konnten erste Rückschlüsse auf das genetische Potential der Mikrobiota und deren Genexpressionsmuster erstellt werden.

Ein wesentlicher Bestandteil meiner Dissertation war dabei den Kohlenstofffluss im Verlaufe des Jahres und mit einem sich verändernden Anteil von C und auch im Hinblick auf die ständig veränderte Salinität zu erfassen, und den Einfluss auf die Mikrobiota zu analysieren. Dabei konnte ich zeigen, dass es einen direkten Zusammenhang zwischen terrestrischem-ähnlichen Kohlenstoff und der Quantität von partikulären Schwebstoffen in der Wassersäule gibt. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die bakterielle Kolonisation von Partikeln und auch die Diversität durch die Salinität stark beeinflusst ist.

Dabei wurde auch deutlich, dass es sowohl in der Geneausstattung als auch im Expressionsprofil signifikante Unterschiede gibt mit Hinblick auf die freien und Partikelassoziierten Mikroorganismen. Mikroorganismen auf sinkenden Partikeln waren oft mit der Methanproduktion assoziiert, während die Mikroorganismen in der Schwebstoff- Fraktion eher auf Wachstum und aerobe Energiegewinnung ausgerichtet waren. Dabei wurde insbesondere die Expression des Co-Faktors CoM, ein zentraler Kofaktor der Methanogenese, als Indikator für die Methanogenese genutzt.