Universität zu Köln

Wey, Jennifer K. (2010). Control of heterotrophic biofilm communities - The importance of grazing and dispersal. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Biofilms are essential for the function of many natural ecosystems such as streams and rivers, but what governs their community composition (and thus potential ecosystem services) remains to a large extent elusive. Theories are mainly based on laboratory systems with few cultivable taxa, or on results from studies of planktonic communities. This is in part due to the methodological challenge to study substrate-associated microbial communities in their natural, complex and three-dimensional environment. In this study, the development and expansion of a set-up to test different factors potentially controlling such communities is described. It basically consisted of a river bypass, flow cells, and filter cartridges to allow for the fractionation of the community establishing the biofilm into different size classes and corresponding functional guilds (ciliates, heterotrophic flagellates (HF) and bacteria). First quantitative experiments using this set-up, described in chapter 1, tested the effects of protozoan grazing on the biofilm structure. It was shown that HF initially promote bacterial biofilm formation, but are able to graze on single cells in later successional stages. Ciliates in turn massively influenced the HF community, leading to a switch from benthivorous to planktivorous life forms and a subsequent release of single bacterial cells from grazing pressure (trophic cascade). After extending the set-up and incorporating molecular techniques to also analyse the diversity of the bacterial biofilms (chapter 2), it became obvious that the above described effects can vary depending on background factors like seasonal variations in temperature. Furthermore, it could be shown that both HF and ciliates influence bacterial diversity, and that this effect can be independent of morphological changes in the biofilm. In addition, HF generally increased the number of bacterial phylotypes, while ciliates tended to reduce them. In chapter 3, the set-up was again modified and this time applied to test the influence of different immigration potentials on HF and ciliate communities. In already established HF and ciliate communities, strongly reduced immigration possibilities from the plankton left all but one ciliate taxa uninfluenced. In just establishing HF communities, however, reduced immigration potential resulted in slower colonization of the substrate, but was followed by higher growth rates compensating for the slower colonization. After reaching the equilibrium abundance, the HF community did not longer depend on immigration but on local resource availability. Together, this study shows that natural biofilm communities are controlled by local factors like grazing, nutrients and competition, but also that regional factors like dispersal and abiotic and seasonal factors might alter the resulting effects depending on the successional stage or community composition. Generally, it was shown that conclusions from laboratory or planktonic studies are not always transferable to natural biofilm communities, thus testing ecological theories under natural background conditions remains crucial to understand the factors shaping them. The presented method is an important and further adaptable tool to achieve this goal.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Kontrolle heterotropher Biofilmgemeinschaften - Die Bedeutung von Grazing und Migration German
Translated abstract:	Abstract Language Biofilme sind essentiell fuer die Funktion vieler natuerlicher Oekosysteme, doch wie die Zusammensetzung ihrer Lebensgemeinschaften (und somit ihr potentieller Einfluss auf das gesamte Oekosystem) gesteuert wird, ist zum groessten Teil unklar. Theorien darueber basieren vor allem auf Laborexperimenten mit wenigen kultivierbaren Taxa oder auf Untersuchungen planktischer Gemeinschaften. Zumindest teilweise ist dies auf die methodische Herausforderung zurueck zu fuehren, substrat-assoziierte mikrobielle Gemeinschaften in ihrer natuerlichen, komplexen und dreidimensionalen Umgebung zu untersuchen. In dieser Arbeit wird die Entwicklung und der Ausbau eines Systems zur Untersuchung verschiedener Faktoren vorgestellt, die die Zusammensetzung solcher Gemeinschaften potentiell kontrollieren. Grundlegend wurde dabei Flusswasser direkt durch Filterkartuschen in Fliesszellen umgeleitet, was die Fraktionierung der den Biofilm bildenden Gemeinschaft in verschiedene Groessenklassen und die dazugehoerigen funktionellen Gilden ermoeglichte (Ciliaten, heterotrophe Flagellaten (HF) und Bakterien). In ersten quantitativen Experimenten mit diesem System wurde der Effekt von Grazing durch Protozoen auf die Biofilmmorphologie untersucht (Kapitel 1). Es zeigte sich, dass HF zunaechst die Biofilmbildung foerdern, bakterielle Einzelzellen aber in spaeteren Sukzessionsstadien durch HF gefressen werden. Ciliaten beeinflussten massiv die HF-Gemeinschaft und fuehrten zu einer Verschiebung von benthivoren zu planktivoren Lebensformen, in der Konsequenz wurden die bakteriellen Einzelzellen vom Frassdruck entlastet (trophische Kaskade). Durch eine Erweiterung des Systems und den Einsatz molekularer Techniken zur Analyse der Diversitaet des bakteriellen Biofilms (Kapitel 2) wurde deutlich, dass die oben beschriebenen Effekte je nach Hintergrundbedingungen (z. B. saisonalen Veraenderungen der Temperatur) variieren koennen. Ausserdem konnte gezeigt werden, dass sowohl HF als auch Ciliaten die bakterielle Diversitaet beeinflussen und dass dieser Effekt unabhaengig von morphologischen Veraenderungen des Biofilms sein kann. Zusaetzlich erhoehten HF generell die Anzahl bakterieller Phylotypen, waehrend die Anwesenheit von Ciliaten eher zu einer Reduktion fuehrte. In Kapitel 3 wurde das System erneut modifiziert und dazu verwendet, den Einfluss verschiedener Immigrationspotentiale auf HF- und Ciliatengemeinschaften zu untersuchen. Auf bereits bestehende HF- und Ciliatengemeinschaften zeigten stark reduzierte Immigrationsmoeglichkeiten aus dem Plankton (mit der Ausnahme eines Ciliaten-Taxons) keine Effekte. In sich gerade etablierenden HF-Gemeinschaften resultierte ein reduziertes Immigrationspotential jedoch in einer langsameren Besiedlung des Substrats, gefolgt von diesen Effekt kompensierenden hoeheren Wachstumsraten. Nach Erreichen der Gleichgewichtsabundanz war die HF-Gemeinschaft jedoch nicht laenger von Immigration, sondern von der lokalen Ressourcenverfuegbarkeit abhaengig. Zusammengefasst zeigt diese Dissertation, dass natuerliche Biofilmgemeinschaften von lokalen Faktoren wie Grazing, Naehrstoffen und Konkurrenz kontrolliert werden. Abhaengig vom Sukzessionsstadium und der Gemeinschaftszusammensetzung koennen jedoch regionale Faktoren wie Migration sowie abiotische und saisonale Faktoren die daraus resultierenden Ergebnisse beeinflussen. Generell wurde gezeigt, dass Schluesse aus Labor- oder Planktonstudien nur bedingt auf natuerliche Biofilmgemeinschaften uebertragen werden koennen. Um die Faktoren, die zur Bildung solcher Gemeinschaften beitragen, verstehen zu koennen ist es daher notwendig, oekologische Theorien unter natuerlichen Hintergrundbedingungen zu testen. Die hier praesentierte Methode ist ein wichtiges und ueberdies erweiterbares Werkzeug um genau dieses Ziel zu erreichen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Wey, Jennifer K. jennifer.wey@ufz.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-33351
Date:	2010
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Biofilm , Grazing , Migration , Ciliaten , heterotrophe Flagellaten German biofilm , grazing , dispersal , ciliates , heterotrophic flagellates English
Date of oral exam:	27 January 2011
Referee:	Name Academic Title Weitere, Markus Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3335