Microbial sulfate reduction in the tissue of the cold-water sponge Geodia barretti (Tetractinellida, Demospongiae) Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Georg-August-Universität zu Göttingen vorgelegt von Friederike Hoffmann aus Kassel Göttingen 2003 D 7 Referent: Prof. Dr. Joachim Reitner Korreferent: Dr. Ole Larsen Tag der mündlichen Prüfung: Als Dissertation eingereicht am 07.04.2003 bei den Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fachbereichen der Georg-August-Universität Göttingen Abstract I EXTENDED ABSTRACT diffusion with no pumping activity involved. Sulfate reduction rates (SRR) in sponge tissue 2- -3 -1 Metabolic rates, community structure and the ranged from 1-1200 nmol SO4 cm d with chemical micro-environment of sulfate- strong variations within the same sponge. Time reducing bacteria (SRB) within the tissue of the series with tissue slurry showed strong dependence of SRR on incubation time with boreal demosponge Geodia barretti were 35 2- examined, and implications for biological- SO4 . This indicates a rapid sulfide chemical and sponge-bacteria interactions are reoxidation, and thus a direct coupling between discussed. To enable these investigations, sulfate reduction and sulfide oxidation. Even histological, molecular biological and the highest rates measured may still underestimate true SRR, which were estimated biogeochemical methods were combined, new -3 -1 methods were developed and established to be up to 5000 nmol cm d . From these rates, cell specific SRR (csSRR) up to 0.22 methods were modified. -1 -1 Sponges represent the very base of metazoan fmol cell d were calculated, which are in a evolution and can be regarded as the oldest reasonable range for natural environments. animal phylum still alive. Fossil records My results indicate the presence of an indicate that the family Geodiidae has been endosymbiotic sulfur cycle in the tissue of G. existing since the early Cambrian. Geodia barretti, driven by the activity of SRB and by barretti hosts vast amounts of associated oxic/anoxic cycles in the tissue due to varying microorganisms in its intercellular matrix pumping activity of the sponge. Tissue anoxia (“bacteriosponge”). This species is extremely may arise due to the active metabolism of rich in siliceous spicules, with a pronounced sponge cells and aerobic associated bacteria cortex of microscleres at the sponge surface. under low pumping activity. Under these Various methods in sponge histotechnology conditions, sponge cells will switch their were developed and evaluated which allow metabolism to fermentation. Fermentation preparation of tissue sections without removing products serve as substrates for SRB, which the spicules. These sections are applicable for can be consumed by sponge cells (“bacterial examination of the microbial community by farming”). In the presence of oxygen, the sulfur fluorescence in situ hybridization (FISH) as cycle within the sponge tissue is completed by well as for histological investigations. oxidation of sulfide to sulfate. The involvement A cultivation method for fragments of G. of sulfide-oxidizing bacteria in this step is very barretti was also developed. Cultivated likely. fragments served as experimental units for My results indicate the relevance of anaerobic microelectrode studies. Histological metabolic processes in the intercellular matrix investigations over a cultivation period of 8 of G. barretti, with sulfate-reducing bacteria as months showed the ability of this sponge to putative key players in sponge metabolism and grow and regenerate from a random piece of nutrition. The possibility of an ancient origin of tissue. the symbiosis between SRB and sponges or FISH on tissue sections showed that G. barretti sponge precursors remains a matter of contains 2.23 *1010 SRB cm-3 tissue, which discussion. However, this efficient system of represent 7.6 % of the bacterial community. internal nutrient recycling by symbiotic partners The SRB community was found to be different may be the reason for the success of Geodia from that in marine sediments. The and other bacteriosponges through earth predominant genus was Desulfovibrio, which history until today. comprises specialized feeders favoured by high substrate concentrations. SRB were evenly distributed throughout the choanosomal tissue, but were absent in and directly beneath the cortex. Repeated measurements with ERWEITERTE ZUSAMMENFASSUNG oxygen-sensitive microelectrodes showed that in a pumping G. barretti, the cortex and the Umsatzraten, Gemeinschaftsstruktur und das subcortical spaces were well oxygenated. In chemische Mikromilieu sulfatreduzierender the choanosome, oxygen decreased rapidly Bakterien (SRB) im Gewebe des borealen and was always depleted 4-6 mm below the Schwammes Geodia barretti (Demospongiae) sponge surface. When the sponge stopped wurden untersucht, und biologisch-chemische pumping, diffusive oxygen consumption in the sowie Schwamm-Bakterien-Wechselwirkungen overlying water could be observed. Oxygen diskutiert. Dafür wurden histologische, profiles in cultivated fragments showed a molekularbiologische und biogeochemische nearly parabolic shape and anoxic conditions Methoden kombiniert, neue Methoden already 500µm below the surface, indicating entwickelt und bewährte modifiziert. that oxygen supply was solely due to molecular Abstract II 2- -3 -1 Schwämme stehen am Anfang der nmol SO4 cm d , mit starken Variationen Metazoenentwicklung und können als innerhalb eines Individuums. Zeitserien mit ursprünglichster aller jetzt lebender homogenisiertem Schwammgewebe zeigten Tierstämme bezeichnet werden. eine starke Abhängigkeit der SRR von der 35 2- Fossilienfunde zeigen, dass die Familie Inkubationszeit mit SO4 . Dies deutet auf Geodiidae seit dem frühen Kambrium existiert. eine schnelle Reoxidation des Sulfids hin, was Geodia barretti beherbergt eine große Zahl bedeutet, dass Sulfatreduktion direkt mit assoziierter Mikroorganismen in seiner Sulfidoxidation verknüpft ist. Auch die interzellulären Matrix. Solche Schwämme höchsten gemessenen Raten unterschätzen werden auch als „bacteriosponges“ möglicherweise die wahren SRR, welche auf („Bakterienschwämme“) bezeichnet. Diese Art bis zu 5000 nmol cm-3 d-1 geschätzt wurden. besitzt zahlreiche Nadeln aus Silikat, die an Von diesen Raten wurden zellspezifische der Oberfläche eine dichte Cortex aus Sulfatreduktionsraten bis zu 0,22 fmol cell-1 d-1 Mikroskleren bilden. Verschiedene kalkuliert, welche vergleichbar sind mit solchen histotechnologische Methoden wurden erprobt, in marinen Sedimenten. um Gewebeschnitte ohne vorherige Meine Ergebnisse lassen auf einen Herauslösung der Skleren zu erhalten. Solche endosymbiontischen Schwefelkreislauf im Schnitte wurden für die Untersuchung der Gewebe von G. barretti schließen, angetrieben Bakteriengemeinschaft mit Fluoreszenz in situ von der Aktivität der SRB und von Hybridisierung (FISH) benötigt, sowie auch für oxischen/anoxischen Kreisläufen im Gewebe histologische Untersuchungen. aufgrund von variierender Pumpaktivität des Ferner wurde eine neue Methode zur Schwammes. Sind Schwammzellen und Kultivierung von Gewebefragmenten von G. aerobe assoziierte Bakterien metabolisch aktiv barretti entwickelt. Kultivierte in einem schwach pumpenden Schwamm, Schwammfragmente dienten als können Gewebebereiche anoxisch werden. experimentelle Einheiten für Untersuchungen Unter diesen Bedingungen betreiben mit Mikroelektroden. Histologische Schwammzellen Fermentierung. Beobachtungen über einen Fermentationsprodukte sind Substrate für Kultivierungszeitraum von 8 Monaten hinweg SRB, welche von Schwammzellen konsumiert zeigten die Fähigkeit dieses Schwammes, sich werden können. In der Gegenwart von aus einem beliebigen Gewebestück zu Sauerstoff wird der Schwefelkreislauf im regenerieren. Schwammgewebe durch Oxidation von Sulfid Bakterienzählungen mit FISH an zu Sulfat vervollständigt. Die Beteiligung von Gewebeschnitten ergaben 2,23*1010 SRB cm- sulfidoxidierenden Bakterien an diesem Schritt 3. Das sind 7,6% der gesamten ist sehr wahrscheinlich. Schwammbakterien. Die Zusammensetzung Meine Ergebnisse weisen auf die Bedeutung der SRB-Gemeinschaft in G. barretti anaerober Prozesse in der interzellulären unterschied sich von der in marinen Matrix von G. barretti hin, wobei den SRB Sedimenten. Die Gattung Desulfovibrio war am möglicherweise eine Schlüsselrolle für den zahlreichsten vertreten. Diese Gattung Metabolismus und die Ernährung des beinhaltet Sulfatreduzierer, die auf bestimmte Schwammes zukommt. Ob diese Symbiose ein Substrate spezialisiert sind und bevorzugt bei Relikt aus der frühen Entwicklungsgeschichte hohen Substratkonzentrationen wachsen. SRB der Tiere ist, bleibt spekulativ. Allerdings waren gleichmäßig im choanosomalen könnte dieses effiziente System des internen Gewebe verteilt, fehlten jedoch in und direkt Nährstoffrecyclings zwischen unterhalb der Cortex. Wiederholte Messungen Symbiosepartnern der Grund für das lange mit Sauerstoff-Mikroelektroden zeigten eine Überleben der Gattung Geodia und anderer gute Sauerstoffversorgung in Cortex und „Bakterienschwämme“ sein. subcorticalen Kammern eines aktiv pumpenden Schwammes. Im Choanosom nahm der Sauerstoff rapide ab, und war 4-6 mm unter der Oberfläche nicht mehr messbar. In nicht-pumpenden Individuen wurde diffusiver Sauerstoffverbrauch im überliegenden Wasser beobachtet. Sauerstoffprofile an kultivierten Fragmenten zeigten eine nahezu parabolische Form, was darauf hinweist, dass die Sauerstoffversorgung