Implications of ocean acidification for microbial life and for microbial interactions Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat. - dem Fachbereich 2 Biologie/Chemie der Universität Bremen vorgelegt von Christiane Hassenrück Bremen, April 2016 Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Februar 2013 bis April 2016 am Max- Planck-Institut für Marine Mikrobiologie angefertigt. 1. Gutachterin: Prof. Dr. Antje Boetius 2. Gutachter: Prof. Dr. Michael Friedrich Tag des Promotionskolloquiums: 13. Juni 2016 “The more clearly we can focus our attention on the wonders and realities of the universe around us, the less taste we shall have for destruction.” – Rachel Carson Summary Ocean acidification (OA) is a major threat to marine systems impacting many aspects of marine life. Microbial communities are a crucial component of marine systems, and are involved in several important processes necessary to support ecosystem functioning. Despite their importance, very little is known about how OA will affect microbial communities and the services they provide to the ecosystem. In particular the long-term impact of OA on microbial life in natural systems is poorly understood. Previous studies were largely based on laboratory or short-term experiments, and often reported inconsistent results regarding the response of microbial communities and processes to OA. To go beyond the limited scope of such experiments, study sites that are naturally exposed to elevated CO2 concentration are increasingly being studied as analogues for future OA. Here, shallow-water hydrothermal CO2 vents in a tropical coral reef were investigated as model system to provide an ecosystem perspective on OA effects on reef microbial communities. The diversity and function of microbial communities, as well as interactions with other reef organisms were characterized in different reef environments at the CO2 vents to estimate potential OA effects and to assess the suitability of this model system for OA research. In chapter 1, a detailed environmental characterization of the study sites was conducted. The results showed that sediments at the CO2 vents can be affected by factors other than CO2 such as temperature, organic matter content or alterations in pore water element concentrations. Hence, a comprehensive description of the environment is necessary when using hydrothermal CO2 vents as OA analogues. Indeed, the investigation of microbial communities in the sediment (chapter 2) showed that pH was among the factors significantly, yet not mainly, explaining changes in microbial community composition. Therefore, changes in OA-related variables may often not be the primary cause of microbial changes in a complex environment such as hydrothermal CO2 vents. Furthermore, changes in microbial taxa were identified, which may alter biogeochemical cycling in the sediment at the CO2 vents. In chapter 3, sediment microbial processes related to carbon, nitrogen and sulfur cycling at the CO2 vents were further explored. Whereas some processes, such as photosynthesis and carbohydrate degradation, did not appear to be strongly affected, sulfate reduction and nitrogen cycling seemed to be impacted at the CO2 vents. This indicates that some remineralization functions in reef sediments may be influenced by CO2 venting. Microbial communities on seagrass leaves (chapter 4) showed pronounced differences at the CO2 vents compared to reference sites, with a higher prevalence of bacteria associated with coral diseases. This suggests a potential role of seagrasses as vectors for coral pathogens, thus supporting predictions about decreased reef health under increased CO2 conditions. A settlement experiment, described in chapter 5, revealed only a minor effect of pH on the development of bacterial communities, with other factors, such as light exposure or close interactions with other organisms, potentially being more important in shaping bacterial communities. In conclusion, microbial communities, functions and interactions with other reef organisms were fundamentally altered at the CO2 vents. However, the strength of the influence of the CO2 vents seemed to depend on the investigated reef environment. The changes in microbial communities and processes may contribute to a general decline of the reef ecosystem at hydrothermal CO2 vents. This thesis offers new insights into microbial life at shallow-water hydrothermal CO2 vents, as well as predictions about potential OA impacts. Yet, it also emphasizes the challenge of estimating future OA effects based on observation at OA analogues that exhibit such high environmental complexity as shallow-water hydrothermal CO2 vents. Zusammenfassung Ozeanversauerung stellt eine große Bedrohung für marine Systeme dar, die viele Aspekte des Lebens im Meer beeinflusst. Mikrobielle Gemeinschaften sind ein bedeutender Bestandteil mariner Systeme und tragen zu vielen Prozessen bei, die notwendig sind, um das Ökosystem zu erhalten. Trotz ihrer Bedeutung ist wenig darüber bekannt, wie Ozeanversauerung mikrobielle Gemeinschaften und ihre Funktion im Ökosystem beeinflusst. Insbesondere Langzeiteffekte von Ozeanversauerung auf mikrobielles Leben in natürlichen Systemen sind kaum erforscht. Vorherige Studien basierten größtenteils auf Labor- oder Kurzzeitexperimenten und berichteten oft widersprüchliche Ergebnisse bezüglich der Reaktion von mikrobiellen Gemeinschaften und Prozessen auf Ozeanversauerung. Um den begrenzten Umfang solcher Experimente zu erweitern, werden vermehrt Standorte untersucht, die natürlich erhöhten CO2- Konzentrationen ausgesetzt sind, und somit als Modell für zukünftige Ozeanversauerung dienen. In dieser Arbeit wurden hydrothermale CO2-Quellen im Flachwasser eines tropischen Korallenriffs als Modellsystem erforscht, um die Auswirkungen von Ozeanversauerung auf mikrobielle Gemeinschaften in einem ökosystemweiten Zusammenhang zu untersuchen. Die Diversität und Funktion von mikrobiellen Gemeinschaften auf dem Riff und ihre Interaktionen mit anderen Rifforganismen wurden in verschiedenen Lebensräumen an den CO2-Quellen charakterisiert, um auf mögliche Auswirkungen von Ozeanversauerung zu schließen und die Tauglichkeit dieses Modellsystems für die Forschung über Ozeanversauerung zu bewerten. In Kapitel 1 wurden die Umweltbedingungen in dem Untersuchungsgebiet detailliert charakterisiert. Die Ergebnisse zeigten, dass Sedimente an den CO2-Quellen auch von anderen Faktoren als CO2 beeinflusst werden können, wie z.B. Temperatur, dem Gehalt organischen Materials oder Veränderungen in der Elementzusammensetzung des Porenwassers. Deswegen ist eine umfangreiche Beschreibung der Umweltbedingungen notwendig, wenn hydrothermale CO2-Quellen als Modell für Ozeanversauerung benutzt werden. Tatsächlich zeigte die Untersuchung der mikrobiellen Gemeinschaften im Sediment (Kapitel 2), dass der pH-Wert zwar zu den Faktoren gehörte, die Veränderungen in der Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften erklären konnten, aber nicht die größte Bedeutung hatte. Deshalb sind Änderungen von Faktoren, die mit Ozeanversauerung in Verbindung stehen, möglicherweise nicht die vorwiegende Ursache von mikrobiellen Veränderungen in der komplexen Umgebung der hydrothermalen CO2-Quellen. Weiterhin wurden Veränderungen mikrobieller Taxa festgestellt, die Auswirkungen auf biogeochemische Kreisläufe im Sediment an den CO2- Quellen haben könnten. In Kapitel 3 wurden mikrobielle Prozesse im Sediment näher untersucht, die an Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelkreisläufen an den CO2-Quellen beteiligt sind. Während einige Prozesse wie z.B. Photosynthese und Kohlenhydratabbau nicht stark betroffen waren, schienen die CO2-Quellen Auswirkungen auf Sulfatreduktion und Stickstoffkreislauf zu haben. Dies lässt vermuten, dass einige Remineralisierungsprozesse in Riffsedimenten von den CO2-Quellen beeinflusst werden. Mikrobielle Gemeinschaften auf Seegrasblättern, die in Kapitel 4 untersucht wurden, zeigten deutliche Unterschiede an den CO2-Quellen im Vergleich zu Referenzstandorten mit einer vermehrten Häufigkeit von Bakterien, die mit Korallenkrankheiten in Verbindung gebracht wurden. Dieses Ergebnis deutet auf eine potenzielle Rolle von Seegräsern als Überträger von Korallenpathogenen hin und unterstützt Hypothesen zu einem verschlechterten Zustand von Riffen unter erhöhten CO2-Bedingungen. Ein Besiedlungsexperiment (Kapitel 5) zeigte, dass der pH-Wert nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Entwicklung bakterieller Gemeinschaften hatte, während andere Faktoren wie z.B. Lichteinwirkung oder Wechselwirkungen mit anderen Organismen potenziell einen größeren Effekt hatten. Diese Arbeit zeigte, dass mikrobielle Gemeinschaften, Funktionen und Interaktionen mit anderen Rifforganismen grundlegende Unterschiede an den CO2- Quellen aufweisen. Die Intensität des Einflusses der CO2-Quellen schien jedoch von dem untersuchten Lebensraum abhängig zu sein. Die Veränderungen an mikrobiellen Gemeinschaften und Prozessen tragen möglicherweise zu einer allgemeinen Verarmung des Riffökosystems an den CO2-Quellen bei. Weiterhin bietet diese Arbeit neue Einblicke in mikrobielles Leben an hydrothermalen CO2-Quellen im Flachwasser und mögliche Prognosen über potentielle Auswirkungen von Ozeanversauerung. Dennoch bleibt es eine Herausforderung, von den Beobachtungen an Modellsystemen, die eine so komplexe Umwelt aufweisen wie hydrothermale CO2-Quellen, auf Effekte zukünftiger Ozeanversauerung zu schließen. Contents Abbreviations ....................................................................................................................