Do microbial or biochemical settlement cues on the sediment surface mediate larval settlement of Polydora cornuta and Streblospio benedicti (Polychaeta, Spionidae)? Sind mikrobielle oder biochemische Signale an der Sedimentoberfläche für die larvale Ansiedlung von Polydora cornuta und Streblospio benedicti (Polychaeta, Spionidae) verantwortlich? DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) der Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg vorgelegt von Ferdinand Esser geboren am 20.12.1973 in Linnich Oldenburg, Mai 2007 Gutachter: Junior Prof. Dr. Tilman Harder Zweitgutachter: Prof. Dr. Ingrid Kröncke Tag der Disputation: 18.07.2007 II „UND SIE DREHT SICH DOCH!“ Galileo Galilei III ERKLÄRUNG ERKLÄRUNG VERÖFFENTLICHUNGEN Teilergebnisse dieser Arbeit sind als Beiträge in Fachzeitschriften erschienen (Kapitel 2 und 3), in einer Diplomarbeit von Justus Lodemann behandelt (Teile von Kapitel 2 und 3), als Poster auf einer Konferenz vorgestellt (Teile von Kapitel 4-6; Untersuchung von Diatomeen als Siedlungssignal), als Manuskript eingereicht und auf einer Konferenz vorgetragen oder in einer Diplomarbeit von Mandy Winterberg verwendet (Teile von Kapitel 4-6; Untersuchung von Halometaboliten als Siedlungssignal). Mein Beitrag an der Erstellung der Arbeiten wird im Folgenden erläutert: SEBESVARI, Z., ESSER, F., HARDER, T. 2006. Sediment-associated cues for larval settlement of the inbenthic spionid polychaetes Polydora cornuta and Streblospio benedicti. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 337, 109- 120. Etablierung der Aufzucht von S. benedicti und P. cornuta im Labor und Entwicklung des single-choice Testverfahrens durch F.E. und Z.S., dieses stellt die Basis der ersten larval-biologischen Siedlungstests und aller folgenden Untersuchungen dar. Kultivierung der Polychaeten im Labor durch F.E. und Z.S., experimentelle Arbeiten und Korrektur des Manuskripts F.E., Z.S., Überarbeitung durch Z.S. und T.H. SEBESVARI, Z., ESSER, F., NEUMANN R., SCHULTE A., BRINKHOFF T., HARDER T. 2007. Monospecies bacterial films on sediment induce larval settlement of the infaunal spionid polychaete Polydora cornuta and Streblospio benedicti. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. (Submitted 18.12.06). Durchführung von Siedlungstests mit Larven von P. cornuta und S. benedicti auf Sediment konditioniert mit Bakterienisolaten durch Z.S. und F.E., Entwicklung des multiple-choice Testverfahrens durch F.E. und Z.S., ein weiteres fundamentales Verfahren, welches für larvale Ansiedlungstests angewendet wurde. Experimentelle Arbeiten und Konzeption des Manuskripts durch Z.S, F.E. Überarbeitung durch T.H. IV ERKLÄRUNG Esser, F., Sebesvari, Z., Winterberg, M., Harder, T. 2007. Direct and indirect effect of halogenated metabolites from infaunal polychaetes on larval settlement of the spionid polychaete Streblospio benedicti. Mar. Ecol. Prog. Ser. (Submitted 24.05.07) Durchführung von multiple-choice und single-choice Tests durch F.E. und M.W.; Aufzucht der Polychaeten im Labor durch F.E., M.W., A.S., Z.S., Durchführung der molekularbiologischen Untersuchungen durch F.E.; Gaschromatographische Messungen durch F.E. und M.W.; Erstellung des Manuskriptes durch F.E. und T.H. WINTERBERG, M. 2007. Quantifizierung von 2,6-Dibromphenol und 1- Chlornonan in Zellgewebe von Polychaeten und Sediment per GC- MS. Diplomarbeit, Universität Oldenburg Betreuung der Arbeit, Durchführung von multiple-choice Tests, gaschromatographische Messung von Wurm- und Sedimentproben und Bereitstellung der Polychaetenkultur durch F.E., Z.S. und T.H. LODEMANN, J. 2005. Untersuchung zum Einfluss ausgewählter biologischer, chemischer und physikalischer Parameter auf das larvale Siedlungsverhalten von Streblospio benedicti und Polydora cornuta. Diplomarbeit, Universität Oldenburg. Betreuung der Arbeit und Bereitstellung der Polychaetenkultur durch F.E., Z.S. und T.H. KONFERENZBEITRÄGE ESSER F., SEBESVARI Z., HARDER T.: Direct and indirect influence of halogenated metabolites from infaunal polychaetes on larval settlement of the spionid polychaete Streblospio benedicti. VII International Larval Biology Symposium, 25.08.-01.09. 2006, Coos Bay, Oregon. (Vortrag) SEBESVARI Z., ESSER F., HARDER T.: Bacterial cues for larval settlement of the spionid polychaete Polydora cornuta. VII International Larval Biology Symposium, 25.08.-01.09. 2006, Coos Bay, Oregon. (Vortrag) V ERKLÄRUNG ESSER F., SEBESVARI Z., HARDER T.: Influence of biogeochemical sediment parameters on infaunal colonization of spionids in tidal flats (Wadden Sea, Germany). American Society of Limnology and Oceanography (ASLO), 20.- 24.06. 2005, Santiago de Compostella, Spain. (Poster) SEBESVARI Z., ESSER F., HARDER T.: Sediment related settlement cues for larvae of the polychaete Polydora cornuta. VI International Larval Biology Conference, 21.-25. 06. 2004, Hong Kong. (Vortrag) ESSER F.: Influence of biogeochemical sediment parameters on infaunal colonization. Microsensor course - analysis in the Environmental Sciences, 23.04.-01.05. 2004 Ronbjerg, Denmark. (Vortrag) VI ZUSAMMENFASSUNG ZUSAMMENFASSUNG In tidenbeeinflussten Sedimenten des deutschen Wattenmeers wurde eine fleckenhafte Verteilung von spionieden Polychaeten (Polydora cornuta und Streblospio benedicti) mit indirekter larvaler Entwicklungsweise festgestellt. Diese Verteilungsmuster sind nicht durch Sedimentparameter wie z.B. Korngröße erklärbar. Es stellt sich die Frage, ob aktive Habitatwahl und Ansiedlung von Larven durch im Sediment assoziierte mikrobielle Signale, wie Biofilme, hervorgerufen werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde zum ersten Mal die larvale Ansiedlung von Weichsubstratsiedlern unter Berücksichtigung von unterschiedlichen Biofilmkomponenten wie Diatomeen, Bakterien oder deren Epipolysaccharide oder halogenierte Metabolite untersucht. Diese Hypothese wurde in laborbasierten Tests mit und ohne Auswahlmöglichkeit mit Larven von P. cornuta und S. benedicti untersucht. Die Larven beider Polychaetenarten stammten aus Laborkulturen, die Larven in ausreichendem Maße zur Verfügung stellten. Larven beider Arten waren in der Lage zwischen Sedimenten unterschiedlicher Qualität zu unterscheiden. In Testreihen ohne Auswahlmöglichkeit zeigten Larven von P. cornuta und S. benedicti signifikant hohe Siedlungsraten auf natürlichem Sediment (zwischen 75% und 95%) im Vergleich zu 600°C veraschtem Sediment (zwischen 5% und 50%). Der prozentuale Anteil der larvalen Ansiedlung von P. cornuta auf durch Autoklavieren sterilisiertes Sediment war signifikant niedriger (zwischen 25% und 55%) als im natürlichen Sediment und unterscheidet sich von dem von S. benedicti (zwischen 70% und 90%). Vier unterschiedliche Sedimentbehandlungen (natürliches, steriles, veraschtes und mit Säure behandeltes Sediment) wurden durchgeführt und in Testreihen mit Auswahlmöglichkeit für beide Larvenarten gegeneinander getestet. Signifikant hohe Siedlungsraten beider Arten wurden in natürlichem Sediment im Vergleich zu allen anderen Sedimenten vorgefunden. In diesem Fall unterscheiden S. benedicti Larven aktiv zwischen natürlichem und sterilem Sediment, anders als in Ansiedlungstests ohne Sedimentauswahl. Die Frage, ob Diatomeen als potentielles Siedlungssignal für Larven dienen könnten, wurde in larvalen Ansiedlungstests ohne Auswahlmöglichkeit auf drei unterschiedlichen Wegen untersucht. Erstens wurde natürliches Sediment mit einem Algizid (Cycloheximid) und Antibiotika (Penicillin, Streptomycin) behandelt. Dabei soll selektiv entweder der Bakterien-Anteil oder der Diatomeen-Anteil im VII ZUSAMMENFASSUNG Sediment eliminiert werden. Die Wirkung des Algizides, bei einer Konzentration von 10 mg g-1 in natürlichem Sediment, zeigte 104 tote Diatomeenzellen pro mm2 Sediment. Dies ist eine Größenordnung niedriger als die von lebendigen Diatomeenzellen in natürlichem Sediment oder in Sediment mit Antibiotikabehandlung. Geringe Bakteriendichten (< 105 Zellen g-1 Sediment) wuden in mit Antibiotika behandeltem natürlichen Sediment nachgewiesen. Sie waren zwei bis drei Größenordnungen niedriger als in natürlichem Sediment ohne Antibiotika- oder mit Algizidbehandlung. Zweitens wurde natürliches Sediment mit Licht bestrahlt oder im Dunkeln aufbewahrt und in larvalen Ansiedlungstests ohne Auswahlmöglichkeit eingesetzt. Für beide Larvenarten wurde die larvale Ansiedlung nicht durch das Vorhandensein oder die Abwesenheit der Diatomeen auf der Sedimentoberfläche beeinflusst. Drittens wurde veraschtes und steriles Sediment mit einer Suspension lebendiger Diatomeen beimpft, die von natürlichem Sediment stammte. Die Wiederbeimpfung war jedoch nur in geringem Maße erfolgreich, so dass nur eine geringe Anzahl an Diatomeen auf veraschtem und eine etwas höhere Anzahl auf sterilem Sediment wiederzufinden waren. Weder veraschtes Sediment, das mit der Diatomeensuspension beeimpft wurde, noch veraschtes Sediment mit Diatomeensuspension und einer zusätzlichen Antibiotikabehandlung zeigten eine prozentual höhere larvale Ansiedlung im Vergleich zu veraschtem Sediment. Die Hypothese, dass die larvale Ansiedlung durch Epipolysaccharide (EPS) von Bakterien oder Diatomeen beeinflusst wird, wurde in drei unterschiedlichen Experimenten untersucht. Erstens wurde EPS von natürlichem Sediment extrahiert und auf veraschtes Sediment aufgebracht. Das larvale Siedlungsverhalten von P. cornuta auf veraschtem Sediment, welches mit EPS Suspension beeimpft wurde, war gleich mit dem von nur veraschtem Sediment und signifikant höher als auf sterilem oder natürlichem