Burberg, Christian 
ORCID: 0000-0002-2571-6908
(2021).
The effects of environmental conditions on growth and protease inhibitor production of the cyanobacterium Microcystis aeruginosa.
PhD thesis, Universität zu Köln.
Abstract
Cyanobacteria are photoautotrophic organisms that proliferate in lakes, ponds and estuaries under favorable conditions. The nutrient pollution of waterbodies, together with increasing temperatures and CO2 levels, has led to an increased frequency of cyanobacterial mass developments (‘blooms’) in the last decades, with severe economic and ecological consequences. Therefore, cyanobacteria became an important topic within limnological research. Special emphasis lies on two central question: Which conditions control the development of cyanobacterial blooms and what is the role of the variety of secondary metabolites produced by cyanobacteria in the success of cyanobacteria?
Some of those metabolites have proven to be toxic for other aquatic organisms, but have also detrimental effects on human health. Much research was focused on microcystins, one of the most toxic groups of cyanobacterial metabolites. Other secondary metabolites, such as protease inhibitors, have received less attention. Protease inhibitors, like nostpeption 920 and cyanopeptolin 954, specifically inhibit serine proteases, for example in the gut of the water flea Daphnia, which results in a limitation by amino acids and leads subsequently to other negative consequences (e.g. reduced growth). This in turn has detrimental effects on the whole ecosystem, because Daphnia are the main consumers of phytoplankton (including cyanobacteria) and serve additionally as food for a number of predators and are therefore essential for the transfer of nutrients and energy from the level of primary production to higher trophic levels. The investigation of protease inhibitors is therefore necessary to understand the development and consequences of cyanobacterial blooms. In particular, knowledge about the influence of environmental factors on cyanobacteria, their growth and the production of protease inhibitors is required.
This dissertation investigated the effect of three major environmental factors on the cyanobacterium Microcystis aeruginosa, one of the most common bloom-forming cyanobacteria. The fundamental question was: How do different concentrations of nitrogen and phosphorus as well as different light intensities affect the growth and more interestingly the production and content of protease inhibitors in M. aeruginosa? To answer this question, I performed growth experiments (batch cultures) with M. aeruginosa NIVA Cya 43 in which the cyanobacterium was grown at different initial nitrogen and phosphorus concentrations as well as under different light intensities. The cultures were sampled regularly to measure the growth, stoichiometry and the content of two protease inhibitors (nostopeptin 920 and cyanopeptolin 954) of M. aeruginosa. The samples were analyzed using a combination of classical (e.g. microscopic cell counting) and modern analytic methods (e.g. high-pressure liquid chromatography and high resolution mass spectrometry). Additionally, I used mathematical models, including a new developed dynamic process-based model, to describe and analyze the growth and the dynamics of the protease inhibitor content.
In this dissertation, I showed that M. aeruginosa can grow under various experimental conditions and that in particular high nutrient concentrations and low light intensities support cyanobacterial growth. This thesis, furthermore, shows that the protease inhibitors are constitutively produced, but that the inhibitor content changes with the growth phase and the tested experimental conditions. Accordingly, I found coherences between the inhibitor content and the growth rate, respectively the stoichiometry, of the cyanobacterium. Additionally, I showed that protease inhibitors are especially produced under nutrient-rich conditions during the early growth phases, while they are degraded in the late growth phase, when the external nutrients are depleted and the nutrient limitation increases. These dynamics indicate that both investigated inhibitors are involved in intracellular processes. A potential involvement of protease inhibitors in the storage of nitrogen is, according to my results, plausible and should be investigated in the future.
The results of this dissertation support the already existing knowledge that M. aeruginosa benefits from the anthropogenic nutrient input and adds new insights about the influence of environmental factors on cyanobacteria, in particular on protease inhibitors. This dissertation also provides insights into the functional role of protease inhibitors in cyanobacteria, but also discusses the ecological consequences of changes in the protease inhibitor content. Especially nutrient-rich conditions will most likely result in an increase of the cyanobacterial biomass and a simultaneously increase in the inhibitor content, which will reduce the potential control of cyanobacteria by Daphnia and could promote the development of cyanobacterial blooms. Hence, we should increase the efforts to reduce the nutrient input (nitrogen, phosphorus) into lakes and should additionally put more focus on the variety of metabolites produced by cyanobacteria to mitigate the ecological consequences of cyanobacterial blooms in the future.
| Item Type: |
Thesis
(PhD thesis)
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| Translated title: |
| Title | Language |
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| Der Effekt von Umweltfaktoren auf das Wachstum und die Produktion von Proteaseinhibitoren im Cyanobakterium Microcystis aeruginosa | German |
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| Translated abstract: |
| Abstract | Language |
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| Cyanobakterien sind photoautotrophe Organismen, die sich unter günstigen Bedingungen massenhaft in Seen, Teichen und Flussmündungen vermehren. Aufgrund der starken Nährstoffbelastung vieler Gewässer, sowie steigender Temperaturen und CO2 Konzentrationen hat die Häufigkeit von cyanobakteriellen Massenvermehrungen („Blüten“) in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen, mit weitreichenden ökologischen und ökonomischen Folgen. Daher bilden Cyanobakterien seit Jahrzehnten einen Schwerpunkt der limnologischen Forschung. Dabei liegt der Fokus auf zwei Fragen: Welche Bedingungen kontrollieren die Entstehung von cyanobakteriellen Blüten und welche Rolle spielt die Vielfalt an Sekundärmetaboliten, welche von Cyanobakterien produzieren werden, für den Erfolg von Cyanobakterien?
Einige dieser Metabolite wirken sich nachgewiesenermaßen toxisch auf andere Wasserorganismen aus, können aber auch massive gesundheitliche Probleme bei Menschen hervorrufen. Ein großer Teil der Forschung konzentrierte sich daher auf Microcystine, eine der toxischsten Gruppen von cyanobakteriellen Metaboliten. Andere Sekundärmetabolite, wie z. B. die Gruppe der Proteaseinhibitoren, wurden hingegen eher vernachlässigt. Proteaseinhibitoren, wie beispielsweise Nostopeptin 920 und Cyanopeptolin 954, inhibieren spezifisch Serinproteasen, z. B. im Darm vom Wasserfloh Daphnia, was unter anderem zu einem Mangel an Aminosäuren und daraus folgend zu weiteren negativen Konsequenzen führt (z. B. reduziertem Wachstum). Dies hat wiederum weitreichende Folgen für das gesamte Ökosystem, da Daphnien als Hauptkonsumenten von Phytoplankton (u. a. auch Cyanobakterien) und als Nahrung für eine Vielzahl an Räubern essentiell für den Energie- und Nährstofftransfer von der Ebene der Primärproduzenten hin zu den höheren trophischen Ebenen sind. Die Erforschung von Proteaseinhibitoren ist daher notwendig, um das Entstehen und die Auswirkungen von Cyanobakterien-Blüten vollständig zu verstehen. Dabei sind besonders Kenntnisse über den Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf Cyanobakterien, deren Wachstum und die Produktion von Proteaseinhibitoren erforderlich.
Im Rahmen dieser Dissertation sollte daher der Effekt von drei wesentlichen Umwelt-faktoren auf das Cyanobakterium Microcystis aeruginosa, einem der bedeutendsten blüten-bildenden Cyanobakterien, untersucht werden. Die grundlegende Fragestellung war: Wie beeinflussen verschiedene Konzentrationen von Stickstoff und Phosphor, aber auch verschiedene Lichtintensitäten, das Wachstum und vor allem die Produktion und den Gehalt von Proteaseinhibitoren in M. aeruginosa? Zur Beantwortung dieser Fragen wurden Wachstumsexperimente (Batch-Kulturen) mit M. aeruginosa NIVA Cya 43 durchgeführt, bei denen die Startkonzentrationen von Stickstoff und Phosphor variiert wurden, bzw. bei denen das Cyanobakterium verschiedenen Lichtintensitäten ausgesetzt wurde. Die Kulturen wurden regelmäßig beprobt, um das Wachstum des Cyanobakteriums, dessen Stöchiometrie und den Gehalt der zwei Proteaseinhibitoren (Nostopeptin 920 und Cyanopeptolin 954) zu bestimmen. Bei der Auswertung der Proben nutzte ich eine Kombination von klassischen (z. B. mikroskopische Zellzählungen) und modernsten analytischen Methoden (z. B. Hochdruck-flüssigkeitschromatographie und hochauflösende Massenspektrometrie). Darüber hinaus nutzte ich mathematische Modelle, darunter ein selbst entwickeltes, dynamisches, prozessbasiertes Modell, um das Wachstum aber auch die Dynamiken der Proteaseinhibitoren zu beschreiben und auszuwerten.
In dieser Dissertation konnte ich zeigen, dass M. aeruginosa unter einer Vielzahl von experimentellen Bedingungen wachsen kann und dass besonders erhöhte Nährstoffkonzentrationen und geringe Lichtintensitäten das Wachstum fördern. Außerdem zeigt diese Arbeit, dass die beiden untersuchten Inhibitoren permanent produziert werden, der Gehalt sich aber stark mit der Wachstumsphase und den getesteten Versuchsbedingungen verändern kann. Dementsprechend habe ich auch Zusammenhänge zwischen dem Inhibitorgehalt und der Wachstumsrate bzw. der Stöchiometrie des Cyanobakteriums finden können. Außerdem konnte ich zeigen, dass die Proteaseinhibitoren besonders unter nährstoffreichen Bedingungen in den frühen Wachstumsphasen gebildet werden, aber mit Abnahme der externen Nährstoffe und gleichzeitig steigender Nährstofflimitierung in den späteren Wachstumsphasen auch wieder abgebaut werden. Diese Dynamiken deuten darauf hin, dass die zwei untersuchten Inhibitoren an intrazellulären Prozessen beteiligt sind. Eine mögliche Beteiligung der Proteaseinhibitoren an der Speicherung von Stickstoff scheint dabei aufgrund meiner Ergebnisse wahrscheinlich und sollte zukünftig weiter untersucht werden.
Die Ergebnisse dieser Dissertation unterstützen das bereits vorhandene Wissen, dass M. aeruginosa vom anthropogenen Nährstoffeinträgen profitiert, und liefern zudem neue Erkenntnisse über den Einfluss von Umweltbedingungen auf Cyanobakterien, insbesondere mit Hinblick auf Proteaseinhibitoren. Diese Dissertation gibt einen Einblick in die funktionelle Rolle von Proteaseinhibitoren in Cyanobakterien, diskutiert aber auch die potentiellen ökologischen Auswirkungen, die mit Schwankungen des Gehalts von Proteaseinhibitoren einhergehen. Dabei könnten besonders nährstoffreiche Bedingungen zu einem Anstieg der cyanobakteriellen Biomasse und zugleich erhöhten Inhibitorgehalten führen, was eine potentielle Kontrolle von Cyanobakterien durch Daphnien verhindern und das Entstehen von Blüten begünstigen könnte. Daher sollten zum einen die Bemühungen zur Reduktion von Nährstoffen (Stickstoff, Phosphor) in Seen zukünftig weiter erhöht werden und zum anderen mehr Fokus auf die Gesamtheit der von Cyanobakterien produzierten Metabolite gelegt werden, um so die ökologischen Auswirkungen von cyanobakteriellen Blüten in der Zukunft zu minimieren. | German |
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| Creators: |
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| URN: |
urn:nbn:de:hbz:38-381581 |
| Date: |
28 March 2021 |
| 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 |
|---|
| Cyanobacteria; Microcystis; Nutrients; Nitrogen; Phosphorus; Light; Secondary metabolites; Protease Inhibitors; Growth | English | | Cyanobakterien; Microcystis; Nährstoffe; Stickstoff; Phosphor; Licht; Sekundärmetabolite; Proteaseinhibitoren; Wachstum | German |
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| Date of oral exam: |
24 November 2020 |
| Referee: |
| Name | Academic Title |
|---|
| von Elert, Eric | Prof. Dr. | | Bonkowski, Michael | Prof. Dr. |
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| Refereed: |
Yes |
| URI: |
http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/38158 |
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