title: Characterization of bacterial communities living in marine snow and their proteome
Creators: name: Eulering, Jan
Publisher: name: :none
Year: 2025

description: Meeresschnee fungiert als Schlüsselkomponente der biologischen Pumpe, das heisst der biogeochemischen Prozesse, die Kohlenstoff aus dem Oberflächenwasser ins Innere des Ozeans transportieren, wo er teilweise remineralisiert und teilweise über lange Zeiträume gespeichert wird. Diese Remineralisierungsprozesse werden größtenteils von heterotrophen Bakterien durchgeführt, die jeweils einzigartige Stoffwechselfähigkeiten und ökologischen Nischen besitzen. Daher ist es wichtig, detaillierte Kenntnisse darüber zu erlangen, was diese Hauptakteure auf Meeresschneepartikeln und im Umgebungswasser metabolisch tun und wie diese Prozesse das Schicksal der Meeresschneepartikel, die biologische Pumpe und in Folge auch die Nahrungsverfügbarkeit für eine Vielzahl größerer mehrzelliger Meeresbewohner und auch das Klima beeinflussen. Da dieser Bereich in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen hat, ist in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl neuer Forschungsmethoden verfügbar geworden, die ermöglichen chemische Prozesse und die Rolle von Mikroben, die dieses organische Material umsetzen, während es in der Wassersäule sinkt, zu erforschen. Um die Zuverlässigkeit dieser neuen Methoden zu testen und ein tieferes Verständnis der bakteriellen Stoffwechselwege und der Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften in Meeresschnee- und Umgebungswasser-Ökosystemen zu erlangen, wurde in dieser Studie ein Multi-omics-Ansatz, bestehend aus Metagenomics und Proteomics, gewählt. Zusätzlich verwendeten wir die relativ wenig untersuchte Methode der 15N-Stabilisotopenmarkierung, um die Muster der Stickstoffassimilation zu verfolgen. Wir fanden mit einem Experiment mit im Labor erzeugten Meeresschnee heraus, dass marine Schneepartikel und das Umgebungswasser unterschiedliche Nischen darstellen, die jeweils eine einzigartige bakterielle Gemeinschaft und signifikante Unterschiede in Bezug auf Stoffwechselaktivitäten, Signalprozesse und Prozesse der Nährstoffgewinnung aufweisen. In allen Proben dominierte das vielfältige Phylum der Pseudomonadota, gefolgt von Bacteroidetes, die eine partikelassoziierte Lebensweise zu bevorzugen schienen. In Partikel-assoziierten Proben schien der Schwerpunkt auf Nährstoffaufnahmepfaden zu liegen, während freilebende Bakterien in Umgebungswasserproben aktive Gene aufwiesen, die mit Konkurrenz und Stressreaktionen in Verbindung stehen. Wir haben festgestellt, dass Multi-omics den Single-omics-Methoden überlegen sind, da genetische Potenziale und Proteinexpressionsmuster nicht unbedingt korrelieren. Wir fanden einen großen Anteil von Proteinen mit unbekannter Funktion.
description: Marine snow acts as a key component of the biological pump, which are the biogeochemical processes that transfer carbon from surface waters into the ocean’s interior, where it is partially remineralized and partially stored over long time periods. These remineralization processes are carried out mostly by a variety of heterotrophic bacteria associated with unique metabolic capabilities and ecological niches. Therefore, it is important to get detailed knowledge about what these key players are metabolizing on marine snow particles and in the ambient water and how these processes influence the fate of marine snow particles, the biological pump and therefore, influence the food availability for a variety of larger marine metazoan species and ultimately, the climate. As this field has become more important during recent years, a variety of new research methods became available in the last decades to determine the reactivity of organic matter in the ocean water column and the role of microbes transforming this organic matter as it sinks through the water column. To test the reliability of these new methods and to get a deeper understanding of bacterial metabolic pathways and the community composition on marine snow and ambient water ecosystems, a multi-omics approach, consisting of metagenomics and proteomics was chosen in this study. Additionally, we used the relatively understudied method of 15N stable isotope labeling to trace patterns of nitrogen assimilation. Using laboratory experiment and artificial marine snow, we found that marine snow particles and the ambient water represented different niches, each with a unique microbial community composition and significant differences in metabolic activities, signaling processes and nutrient acquisition processes. All samples were dominated in gene abundance by the diverse phylum of Pseudomonadota, followed by Bacteroidetes which seemed to prefer a particle-associated lifestyle. In particle associated samples general nutrient acquisition pathways were dominant, while free-living bacteria in ambient water samples had more active genes associated with competition and stress responses. We found that multi-omics approaches are superior to single-omics methods, because genetic potentials and protein expression patterns do not necessarily correlate. We also found a large fraction of proteins with unknown functions.