Forschungsaktivitäten

Das Zentrum für Alpine Biologie in Piora (CBA) hat zum Ziel, die universitäre Lehre, die wissenschaftliche Forschung und die Verbreitung von Forschungsergebnissen, die in der Region Val Piora durchgeführt werden, zu fördern. Das Institut für Mikrobiologie der SUPSI (IM-SUPSI) bietet dem CBA wissenschaftliche Unterstützung für Aktivitäten, die hauptsächlich im Bereich der Umweltmikrobiologie angesiedelt sind.

Wissenschaftliche Forschung in Piora, die vom IM-SUPSI unter anderem in Zusammenarbeit mit den Universitäten Genf und Zürich koordiniert wird, wird vom Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (SNF) für Forschungszwecke finanziert.

Der SNF finanziert derzeit ein Projekt, dessen Hauptziel es ist, die Auswirkungen des Biokonvektionsprozesses auf die Ökophysiologie der wichtigsten mikrobiellen Arten der Chemokline zu untersuchen (BIOCAD 2018-22).

Auch andere Universitäten in der Schweiz und weltweit fühlen sich von der Forschung in der Region Val Piora angezogen, sowohl in der Limnologie als auch in anderen Bereichen wie z. B. Botanik und Geologie.

Mikrobielle und molekulare Ökologie von Mikroorganismen in geschichteten Wassersystemen.

Die Kenntnis der verschiedenen Organismen im Cadagno-See ist mit den biogeochemischen Zyklen der wichtigsten Verbindungen, insbesondere Schwefel, den Energieflüssen und den metabolischen Umwandlungen verknüpft; dies ermöglicht einen umfassenden Ansatz für das Netzwerk von Prozessen, die in komplexen Wassersystemen vorkommen.

Die Dolomitader (Sacca di Piora oder Pioramulde) von Val Piora, die wegen möglicher Probleme beim Bau des Alptransit-Tunnels in den Medien erwähnt wurde, reichert einen Teil des Wassers von Val Piora mit Mineralsalzen (Karbonate, Magnesium, Sulfate usw.) an. Dieses Wasser stammt aus unterseeischen Quellen und schichtet sich am Boden des Cadagno-Sees. Dies führt zu einer permanenten Schichtung oder Meromixis des Wasserkörpers mit der Bildung von zwei Schichten, einer Oberflächenschicht (0 m bis 12 m Tiefe) aus salz- und sauerstoffarmem Wasser, die von einer anoxischen Schicht (12 m bis zu einer maximalen Tiefe von 21 m) überlagert wird. Eine Übergangszone zwischen oxisch und anoxisch, gemeinhin als Chemokline bezeichnet, ist in etwa 12 m vorhanden; hier herrschen ideale Bedingungen (Licht, Sauerstoffmangel, Vorhandensein von Sulfiden) für das Massenwachstum einer Gemeinschaft anaerober, phototropher Schwefelbakterien, die mit dem Schwefelkreislauf verbunden sind und neben den Algen der Oberflächenschicht eine zusätzliche Primärproduktion darstellen. Gerade aufgrund der photosynthetischen Aktivität dieser Chemokline-Bakterien kann der Cadagno viel mehr Fische beherbergen als ein gewöhnlicher Alpenteich, was ihn bei Anglern sehr beliebt macht.

Diese Übergangszone weist außerdem eine relativ stabile vertikale Schichtung von Bakterienpopulationen auf, die an unterschiedliche Tiefen angepasst sind (z. B. phototrophe Schwefelbakterien, chemoorganotrophe Bakterien, methan- und sulfidoxidierende Bakterien, sulfat- und nitratreduzierende Bakterien, Eisen- und Manganoxide, Methanogene usw.). Dieses natürliche Phänomen, das als krenogene Meromixis bezeichnet wird, ist besonders interessant, da es die Möglichkeit bietet, die Prozesse der Produktion und Mineralisierung von Biomasse im natürlichen Zustand zu verfolgen. Der große Vorteil, den der Cadagno-See bietet, ist, dass die erwähnte Schichtung der Reaktionen und Bakterienpopulationen in einer Dicke von etwa 2 Metern vorliegt, was bedeutet, dass sie leicht beprobt werden können. In Seen, die dieses Phänomen der Wasserschichtung nicht aufweisen, finden diese Prozesse in der Regel zwischen Wasserkörper und Sediment auf einer Fläche von wenigen Zentimetern statt und sind daher mit größeren methodischen Schwierigkeiten bei der Untersuchung verbunden.

Die krenogene Meromixis des Cadagno-Sees ist ein Phänomen, das in den Alpen einzigartig und auf der ganzen Welt selten ist. Seine Bedeutung liegt darin, dass er ein natürliches Habitat mit hoher mikrobieller Biodiversität darstellt, das als ideales Modell für das Verständnis der Rolle von Mikroorganismen in globalen biogeochemischen Kreisläufen dient. Das Konzept der Umweltbiodiversität auf der Ebene der mikroskopischen Organismen wird im Allgemeinen nur unzureichend verstanden, gewinnt aber dank der Entwicklung spezieller molekularer Methoden, die gezielte, präzise und sehr genaue Analysen ermöglichen, zunehmend an Bedeutung.

Das Hauptziel der Studien zur mikrobiellen Ökologie am LMA-SUPSI ist die Analyse und Charakterisierung der Zusammensetzung, der räumlichen und zeitlichen Verteilung von Schlüsselarten sowie die Untersuchung der Vielfalt der wichtigsten mikrobiellen Populationen und ihrer physiologischen Aktivität in den verschiedenen Kompartimenten des Sees.

Laufende Projekte

Labor für mikrobielle Ökologie Uni-Ge/IM-SUPSI

Bioconvection-mediated microbial ecophysiology in aquatic systems - Multi-scale dynamics in the chemocline of meromictic Lake Cadagno.

Der Cadagno-See weist das ganze Jahr über eine permanente Wasserschichtung auf, wobei sich die obere sauerstoffhaltige Wasserschicht über einer anoxischen Schicht befindet, die sehr reich an gelösten Salzen ist. Anaerobe Rotschwefelbakterien (PSB) der Art Chromatium okenii wachsen an der Grenzfläche der beiden Schichten, wo sie in der Lage sind, große Wassermengen zu mischen, indem sie das Wasser nicht direkt mit ihren Geißeln bewegen, sondern sich auf der Suche nach Licht in einem begrenzten Bereich nahe der Sauerstoffdiffusionsfront zusammenfinden. Dadurch erhöht sich die Volumendichte und das Wasser beginnt zu fallen, wobei es die Mikroorganismen in einem als Biokonvektion bekannten Prozess mit sich reißt.

Das Hauptziel dieses Projekts (PhD Francesco Di Nezio UNIGE und PostDoc Nicola Storelli SUPSI) ist es, die Auswirkungen des Biokonvektionsprozesses auf die Ökophysiologie mikrobieller Schlüsselarten in aquatischen Umgebungen zu untersuchen. Mithilfe eines multidisziplinären Ansatzes werden zunächst die chemischen und physikalischen Umweltbedingungen bestimmt, die für die optimale Entwicklung von Mikroorganismen notwendig sind. Anschließend werden die öko-physiologischen Auswirkungen der Biokonvektion untersucht, indem Mikrokosmen im Labor eingerichtet und Analysen direkt im See durchgeführt werden (dank der Einrichtungen des Zentrums für Alpine Biologie in Piora). Am Ende dieses Projekts werden wir schließlich die Grundlagen für das Verständnis der Auswirkungen der Biokonvektion auf das gesamte Ökosystem des Sees legen können.

Es wird angenommen, dass die in diesem Projekt untersuchten phototrophen anaeroben Schwefelbakterien zu den ersten Lebensformen gehören, die auf der Erde erschienen, als es noch keinen Sauerstoff gab. Diese primitiven Mikroorganismen könnten daher den Ausgangspunkt des gesamten evolutionären Prozesses darstellen, der zu einem massiven und heterogenen Vorkommen von Leben auf unserem Planeten geführt hat. Der Vergleich und die Interaktion verschiedener Arten phototropher Sulfobakterien, die sich ökologisch sehr ähnlich, physiologisch aber sehr unterschiedlich sind, wird wichtige Details über drei verschiedene Evolutionslinien der drei wichtigsten Bakterienpopulationen im See offenbaren.

CO2- und H2S-Assimilationsraten der wichtigsten phototrophen Schwefelbakterien in der Chemokline des Cadagno-Sees.

Das Ziel dieses Projekts (Master Clarisse Beney UNIGE) ist es, die unterschiedlichen Oxidationsraten von Sulfiden (H2S) und die Effizienz der Assimilation von Kohlendioxid (CO2) für die wichtigsten Populationen anaerober phototropher Schwefelbakterien, die in der Chemokline des Cadagno-Sees leben, zu analysieren, nämlich das rote Bakterium (PSB) Chromatium okenii LaCa, "Thiodictyon syntrophicum" Cad16T und das grüne Bakterium (GSB) Chlorobium pheobacteroides.

Die Oxidationsrate und die Affinität werden für jeden der drei Mikroorganismen bei unterschiedlichen Lichtintensitäten und H2S-Ausgangskonzentrationen gemessen. Für diese Messungen wird ein Mikrorespirator verwendet, der kleinste H2S-Schwankungen in Echtzeit messen kann (UNISENSE SULF-Sensor). Darüber hinaus wird es auch interessant sein, andere Elektronendonatoren wie Thiosulfat (S2O32-) zu bewerten, sowie die Verwendung von intrazellulär gespeichertem S0 für PSB oder extern ausgeschiedenem S0 für GSB.

Die effektive Kapazität und die CO2-Fixierungsrate werden für alle drei Mikroorganismen unter verschiedenen Bedingungen im Labor bewertet, insbesondere unter mikroaerophilen Bedingungen (<5% O2) und in ständiger Dunkelheit, sowie im Sommer direkt im See mithilfe von Dialysesäcken. Die Studie wird außerdem durch eine Transkriptomanalyse ergänzt, hauptsächlich um den Stoffwechsel unter Licht mit dem in der Dunkelheit zu vergleichen. Diese Analyse sollte schließlich die Stoffwechselprozesse aufdecken, die eine gute CO2-Fixierungsaktivität in Abwesenheit von Licht ermöglichen.

Dynamik der Population

In den letzten 25 Jahren wurden immer effizientere Techniken zur Identifizierung von Bakterien entwickelt und angewendet, die dann validiert und standardisiert wurden, so dass sie als Dienstleistung am LMA-SUPSI (Identifizierung und Typisierung von Umweltmikroorganismen). Die Dynamik der bakteriellen Populationen, insbesondere der phototrophen, ist grundlegend für die Struktur und die ökologische Aktivität des Sees. Um die Dynamik der mikrobiellen Populationen im Cadagno-See zu verfolgen, ist jedes Jahr ein umfassendes Monitoring (LMA-Forscher Samuele Roman und Nicola Storelli) zu Beginn, in der Mitte und am Ende der Saison für die chemischen Werte mit dem MERCK Spektroqunt Kit, die physikalischen Werte mit der CTD Sea and Sun Multiparameter-Sonde und die biologischen Werte mit Hilfe der Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) und Durchflusszytometrie geplant.

Abgeschlossene Projekte

Funktionelle Genomik der purpurnen Schwefelbakterien des Cadagno-Sees

Das Doktorandenprojekt von Samuel Lüdin (2018 UNIGE) konzentrierte sich hauptsächlich auf die Genomik und Proteomik der wichtigsten phototrophen, anaeroben Schwefelbakterien des Cadagno-Sees. Während seiner Dissertation gelang es Lüdin, die Chromosomen- und Plasmidsequenzen von 2 für die Ökologie des Sees sehr wichtigen Arten wie dem Stamm Cad16T des PSB "Thiodictyon syntrophicum" und dem Stamm LaCa des PSB Chromatium okenii zu vervollständigen. Das genetische Wissen über die Gemeinschaft der anaeroben phototrophen Schwefelbakterien öffnet die Tür für zukünftige detailliertere Metaproteomanalysen (oder Metatranskriptomanalysen) mit dem Ziel, das Wissen über die ökologische Bedeutung dieser besonderen Art von Mikroorganismen zu erweitern. Eine der wichtigsten Eigenschaften dieser Art ist ihre große Fähigkeit, CO2 nicht nur bei Licht, sondern auch im Dunkeln zu fixieren. Aus diesem Grund trägt der Stamm Cad16T von "T. syntrophicum", obwohl er nur etwa 2% der gesamten Gemeinschaft der anaeroben phototrophen Schwefelbakterien ausmacht, zu fast 25% der gesamten Primärproduktion des Cadagno-Sees bei. Weitere Untersuchungen des Stoffwechsels des PSB-Stammes Cad16T "T. syntrophicum" haben Faktoren aufgezeigt, die unter Licht- und Dunkelbedingungen unterschiedlich ausgeprägt sind und nun dank umfassender genomischer Kenntnisse besser interpretiert werden können. Darüber hinaus schafft diese Forschung die Grundlage für die Entwicklung gezielter Labor- und In-situ-Experimente, um die Rolle dieser wichtigen Mikroorganismen im Ökosystem des Cadagno-Sees zu verstehen. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Labor Spiez (Dr. M. Wittwer), der Fachhochschule Zürich-Wädenswil ZHAW (Dr. J. Pothier), der Firma Mabritec (Dr. V. Pflüger) und der Universität Genf (Prof. M. Goldschmidt-Clermont und Prof. M. Hothorn) durchgeführt.

Die Durchflusszytometrie als Werkzeug zur Untersuchung der Koexistenz von phototrophen, anoxygenen Schwefelbakterien in der Chemokline des meromiktischen Cadagno-Sees.

Die Doktorarbeit von Francesco Danza (2018 UNIGE) konzentrierte sich hauptsächlich auf die Verwendung der Durchflusszytometrie zur schnellen Erkennung und Zählung von anaeroben phototrophen Schwefelbakterien im Cadagno-See. Darüber hinaus war es dank der Veränderung der Zellkomplexität im Zusammenhang mit der Akkumulation von Schwefelkügelchen (S0) während der anaeroben Photosynthese möglich, die Durchflusszytometrie anzuwenden, um auch die Stoffwechselaktivität jeder einzelnen Zelle zu bewerten. Mithilfe der Durchflusszytometrie wurde versucht, bestimmte Verhaltensweisen der Populationen sowohl auf globaler als auch auf individueller Ebene zu verstehen. Die Idee war, das aus den Labordaten gewonnene Modell auf das komplexere System der natürlichen Umwelt zu übertragen, in der diese Mikroorganismen in Gegenwart anderer Arten leben. Die Effizienz und Genauigkeit der Durchflusszytometrie ermöglichte es auch, eine Korrelation zwischen der Turbulenz, die von der Forschungsgruppe von Professor Johny Wuest an der EPFL gemessen wurde, und der motorischen Aktivität der Art Chromatium okenii herzustellen. Die direkt im Cadagno-See durchgeführten Messungen, angewandt auf mathematische Simulationen, führten zu einer wissenschaftlichen Veröffentlichung in der Zeitschrift "Geophysics Research Letters", wodurch zum ersten Mal ein "Biokonvektions"-Prozess in der Natur gezeigt und validiert wurde (zuvor war das Phänomen nur im Labor beobachtet worden). Diese Arbeit ist Teil einer Zusammenarbeit zwischen der Gruppe "Oberflächengewässer" der EAWAG, der Gruppe "Mikrofluidik" der ETHZ und der Gruppe "Biogeochemie" des Max-Planck-Instituts in Bremen.

(https://archive-ouverte.unige.ch/unige:103201)

Die Rolle der phototrophen Schwefelbakterien der Chemokline in der Primärproduktion des Cadagno-Sees

Die Doktorarbeit von Nicola Storelli (2014 UNIGE) zeigte die Bedeutung der anaeroben phototrophen Schwefelbakterien für die Primärproduktion des Cadagno-Sees. Tatsächlich tragen diese Bakterien mit hohen Werten bei der Fixierung von Kohlendioxid (CO2) in Gegenwart von Licht (Photosynthese) und vor allem in der Dunkelheit mit einem noch unbekannten Mechanismus wesentlich zur gesamten Primärproduktion des Sees bei. Das rote Schwefelbakterium PSB Candidatus "Thiodictyon syntrophicum" Stamm Cad16T erwies sich als der beste CO2-Assimilator unter den verschiedenen dominierten Populationen (ohne PSB Chromatium okenii) in der Chemokline des Cadagno-Sees und wurde daher als Modellorganismus verwendet, um zu versuchen, die Fixierung im Dunkeln zu verstehen. Die Analyse der verschiedenen Proteome (Licht und Dunkelheit) mittels 2D-Differenzgelelektrophorese (DIGE) ergab 23 Proteine, die im Licht stärker vertreten waren, und 17 Proteine, die in der Dunkelheit stärker vertreten waren. Von den 23 Proteinen, die im Licht stärker vertreten waren, waren drei an der Produktion von intrazellulären Speicherkügelchen (Poly-3-hydroxybutyrat) beteiligt, die Reduktionskraft (NAD(P)H) und Kohlenstoffverbindungen (Acetyl-CoA) speichern. Im Dunkeln waren drei der 17 am häufigsten vorkommenden Proteine Teil des autotrophen Zyklus, der nur im Reich der Archaeen zu finden ist, dem "Dicarboxylat-Hydroxybutyrat" (DC/HB). Dieser DC/HB-Zyklus ist jedoch nichts anderes als die Summe der häufigeren Zyklen der inversen Tricarbonsäure (rTCA) und der Beta-Oxidation, wobei insbesondere letztere für die Verwendung von Speicherglobuli verantwortlich ist, die in Gegenwart von Licht produziert werden (Poly-3-Hydroxybutyrat).

Darüber hinaus zeigten die erstmals sequenzierten Rohgenomsequenzen (contigs) aus dem Stamm Cad16T das Vorhandensein von zwei RuBisCO-Genen (cbbLS und cbbM), die für die CO2-Fixierung durch den Calvin-Zyklus entscheidend sind und unterschiedlich exprimiert werden. RuBisCOs CbbM Typ II wird konstitutiv (unreguliert) exprimiert, während das höher entwickelte RuBisCO CbbLS Typ I einer Regulierung durch seine Umgebung unterliegt.

(https://archive-ouverte.unige.ch/unige:34915)

Kantonales Institut für Mikrobiologie (ICM)

Syntrophe Aggregate von Thiodictyon syntrophicum CAD16 und Desulfocapsa thiozymogenes CAD626 aus dem Cadagno-See.

Der Cadagno-See und Seen mit permanenter Schichtung im Allgemeinen sind ideale Modelle für die Untersuchung von aquatischen Mikroorganismen. Der Cadagno-See ist besonders interessant für das Vorhandensein von Populationen von photosynthetischen Schwefelbakterien und sulfatreduzierenden Bakterien. In den letzten Jahren wurde nachgewiesen, dass photosynthetische Rotschwefelbakterien, die zur Kandidatenart Thiodictyon syntropicum Cad16 gehören, und sulfatreduzierende Bakterien der Art Desulfocapsa thiozymogenes Cad626 in der Lage sind, sich zu Strukturen, den sogenannten Aggregaten, zusammenzuschließen. Bisher war eine detaillierte Untersuchung, wie die Aggregation stattfinden kann, aufgrund der Unmöglichkeit, die Struktur der Aggregate im Labor nachzubilden, nicht durchführbar. Mit dieser von Nicholas Vecchietti (2011 UNI Insubria) betreuten Masterarbeit ist es uns zum ersten Mal gelungen, die idealen Bedingungen zu identifizieren, die eine Reproduktion des Bakterienaggregats im Labor ermöglichen.

Paläo-Mikrobiologie der Sedimente des Cadagno-Sees

2009 wurde in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich, der Universität Basel und NordCEE Dänemark eine interdisziplinäre Forschung an den anoxischen Sedimenten des Cadagno-Sees durchgeführt. Diese Forschung ermöglicht die Untersuchung von Erdrutschen und wird mit der Evolutionsgeschichte der mikrobiellen Populationen, die sich im See ereignet haben, kombiniert.

Insbesondere wurde im Rahmen eines Postdoc-Forschungsprojekts (Damiana Ravasi) subfossile DNA aus Proben extrahiert, die aus verschiedenen Tiefen des anoxischen Sediments stammten. Durch die Quantifizierung der subfossilen ribosomalen RNA-Sequenzen verschiedener Populationen phototropher Schwefelbakterien konnte deren Vorkommen im gesamten Sediment nachgewiesen werden. Die Bakterienpopulationen weisen je nach der Tiefe, in der sie gefunden wurden, unterschiedliche Konzentrationen auf, was auf bedeutende Veränderungen in der biologischen Geschichte des Sees hindeutet. Die Datierung des 10-Meter-Sedimentkerns, der der biologischen Geschichte von 10.000 Jahren entspricht, ist noch im Gange.

Molekularer Ansatz zur Untersuchung von sulfatreduzierenden Bakterien und methanogenen Archaea in den Sedimenten des Cadagno- und Rotsees.

Ziel der Dissertation von Michel Bottinelli (UNIGE 2008) war es, die Endstadien der mikrobiellen Mineralisierung durch die Untersuchung der Methanogenese und der Sulfatreduktion in den tiefen Sedimenten von zwei Seen mit unterschiedlichen Sulfatkonzentrationen (Cadagno-See und Rotsee) zu vergleichen. Im Cadagno-See dominiert die Sulfatreduktion ([SO₄²-] = ~ 3 mM; [S²-] = 2-3 mM), während der Rotsee eine Dominanz der Methanogenese zeigt ([CH₄] = 5 mM; [SO₄²-] = ~ 1 μM). An der Wasser-Sediment-Grenzfläche waren die TOC- und THAA-Werte in Cadagno doppelt so hoch (149 und 77 mg g-¹ Sediment). Die Analyse der 16S rDNA zeigte eine Prävalenz von Bakterien mit durchschnittlich 59% und 15%, darunter 55% und 10% sulfatreduzierende Bakterien (SRB) sowie das Königreich "Archaea" mit 27% und 4% in den DGGE-Profilen von Cadagno bzw. Rotsee. Darüber hinaus zeigten die Sedimente des Cadagnosees eine größere Vielfalt an bakterieller 16S rDNA auf verschiedenen Sedimentebenen.

(https://archive-ouverte.unige.ch/unige:98209)

Proliferation neuer phototropher Schwefelbakterien in der Chemokline des meromiktischen Cadagno-Sees: Welche Folgen hat das?

Nach einem außergewöhnlichen Wassermischungsereignis im Oktober 2000 wurde eine Veränderung in den Populationen der phototrophen grünen Sulfobakterien (GSB) beobachtet, von Chlorobium phaeobacteriodes zu Chlorobium clathratiforme. Ein Anstieg der Abundanz der GSB im Vergleich zu den gesamten phototrophen Sulfobakterien wurde ebenfalls beobachtet: von 5-10% zwischen 1994 und 1999 auf 95% im Jahr 2002.

Die von Paola Decristophoris (2007 UNIGE) durchgeführte Studie "diplôme d'études approfondies (DEA)" hatte zum Ziel, die Verteilung in der Chemokline von grünen phototrophen Sulfobakterien (GSB) und violetten Sulfobakterien (PSB), zwei Familien mit sehr ähnlichen metabolischen Bedürfnissen, aufzuzeigen und zu verstehen, ob Änderungen der relativen Abundanz zwischen den beiden taxonomischen Gruppen Auswirkungen auf die vertikale Verteilung der PSB-Populationen haben.

Die Gesamtbiomasse der phototrophen Sulfobakterien stieg zwischen 1998 und 2004 um das Dreifache an. Dieser Anstieg stand in direktem Zusammenhang mit der Vermehrung der GSBs, während die Biomasse der PSBs unverändert blieb. Es scheint auch, dass dies keinen Einfluss auf die Mikroschichtung der PSBs in verschiedenen Tiefen der Wassersäule hatte. Die Vermehrung der GSBs deutet darauf hin, dass in der Chemokline des Cadagno-Sees nach 1999 eine ökologische Nische entstanden ist, die C. clathratiforme ohne messbare Auswirkungen auf die anderen bereits vorhandenen phototrophen Sulfobakterien besiedeln konnte.

Interaktionen zwischen sulfatreduzierenden Bakterien und Purpurschwefelbakterien in der Chemokline des meromiktischen Cadagno-Sees.

Unsere Aufmerksamkeit hatte sich, unter Beibehaltung der phylogenetischen Aspekte, stärker auf die Analyse der physiologischen Aktivitäten, der Interaktionen mit der Außenwelt (Seewasser) und zwischen den Organismen (Syntropie und Symbiose) verlagert. In der Tat befasste sich die Doktorarbeit von Sandro Peduzzi (2003 ETHZ) in Zusammenarbeit mit der Rutgers University in Newark, USA (D. Hahn) und der EAWAG (ETH) in Dúbendorf (A. Zehnder) mit der Bildung eines bakteriellen Aggregats im Cadagno-See. In der Chemokline (11-14 m) des Cadagno-Sees wächst ein Teil der mikrobiellen Gemeinschaft zu einer als Aggregat bezeichneten Struktur heran; diese besteht aus zwei Bakterienarten: den roten Schwefelbakterien (PSB) aus der Familie der Chromatiaceae (Thiodictyon sp.) und den sulfatreduzierenden Bakterien (SRB) aus der Familie der Desulfovibrionaceae (Desulfocapsa thiozymogenes). Die enge Aggregationsassoziation ist artspezifisch, aber nicht obligatorisch und für das Überleben der beiden beteiligten Arten vorteilhaft. Das Projekt konzentrierte sich auf die Identifizierung der chemischen und physikalischen Bedingungen, die die Bildung des Aggregats induzieren, und das Verständnis seiner Struktur (dreidimensionale Studien durch konfokale Mikroskopie), um seine öko-physiologische Rolle zu klären.

Isolierung von anaeroben Bakterien aus dem Cadagno-See (Ende der 1990er Jahre).

Mit den anaeroben Isolierungs- und Kulturtechniken für phototrophe (z. B. Lamprocystis) und sulfatreduzierende (z. B. Desulfocapsa) Bakterien wurde der Weg für physiologische Laborstudien in Kombination mit molekularen Methoden geebnet. Die Kultivierung und Untersuchung der metabolischen Aktivitäten dieser Mikroorganismen korreliert mit den Aktivitäten in ihrem Lebensraum und ebnet den Weg für interessante biotechnologische Entwicklungen, wie die Kultivierung phototropher Bakterien, die Wasser von schädlichen Substanzen wie Sulfiden und Ammoniak reinigen können, oder die Kultivierung von Bakterien, die schwer aus der Umwelt zu entfernende Schadstoffe wie Pestizide und insbesondere halogenorganische Stoffe abbauen können (Gattung Desulfomonile).

Charakterisierung anaerober Bakterien im Cadagno-See

Die Einführung direkter oder "in situ"-Analysemethoden mit dem Fluoreszenzmikroskop wurde nach den ersten Arbeiten in den 1980er Jahren, die auf klassischen Methoden der Umweltmikrobiologie beruhten, beschlossen, da der Anteil der kultivierbaren Bakterien (<0,1 %) in den aus dem See entnommenen Proben im Vergleich zu den tatsächlich vorhandenen Bakterien gering war. Dank der Zusammenarbeit mit dem CNR-Istituto di Ricerca per gli Ecosistemi in Pallanza wurden die Zählungen der kultivierbaren Bakterien durch direkte Zählungen der Gesamtbakterien nach Färbung der Nukleinsäuren ergänzt. Dank dieser Methoden war es möglich, besondere und in den verschiedenen Schichten des Sees häufig vorkommende Bakterienmorphotypen zu entdecken und gesondert aufzulisten (Diplomarbeit J.-C Bensadoun 1995). Der Erwerb der Technik "Whole Cell Hybridization (WCH)" in Zusammenarbeit mit dem Institut für terrestrische Ökologie der ETH Zürich (D. Hahn) und der Technischen Universität München und dem Max-Planck-Institut Bremen (R. Amann) initiierte die Einführung von molekularen "in situ" Nachweismethoden, die auf Proben des Cadagno-Sees angewendet wurden. Die ersten Zählungen nach Zellhybridisierung wurden im Laufe des Jahres 1994 durchgeführt.

Mit der Einführung der automatisierten Amplifikation von Nukleinsäuren (PCR) und deren Sequenzierung im Jahr 1995 begannen die ersten Arbeiten zur Amplifikation und Klonierung von Genen, die für ribosomale 16S-RNAs kodieren, wodurch sich weitreichende Möglichkeiten zur Typisierung nicht kultivierbarer Stämme und zur Analyse mikrobieller Umweltpopulationen eröffneten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden spezifische Nachweisverfahren für die im Cadagno-See vorkommenden Bakterien entwickelt, um deren raum-zeitliche Verteilung zu beschreiben. Dadurch wurden phototrophe und schwefelreduzierende Bakterienarten entdeckt, die zuvor noch nie beschrieben worden waren und die im Übergangsbereich zwischen der oxischen und der anoxischen Schicht des Sees vorkommen.

Beginn der Forschungsaktivitäten

In Anbetracht der Tatsache, dass Ausbildungsaktivitäten immer durch kontinuierliche und aktuelle Forschung unterstützt werden müssen, hat das ICM seit 1992 beschlossen, auch außerhalb der Ausbildungskurse die Forschung zum Verständnis der Mikrobiologie des Cadagno-Sees wieder aufzunehmen und zu fördern. Neben den klassischen Methoden, die für den Vergleich mit früheren Daten und anderen Ökosystemen wichtig sind, wurden neue Techniken auf molekularer und biophysikalischer Grundlage entwickelt, insbesondere molekulare In-situ-Nachweistechniken, die eine höhere Spezifität und eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung ermöglichen.

Damit ergibt sich eine Übergangszone bei ca. 10-13 m (Chemokline) zwischen oxischen und anoxischen Umweltsbedingungen, in der die phototrophen Schwefelbakterien ideale Wachstumsbedingungen vorfinden, noch genügend Licht, kein Sauerstoff, wohl aber Sulfide. Die bakteriellen Gemeinschaften, dominiert durch die phototrophen Schwefelbakterien und getrieben durch Licht und den Schwefel-Zyklus, liefern eine zusätzliche Primärproduktion zur Produktion der Algen in der darüber gelagerten Schicht. Diese Übergangszone bewirkt physikalisch eine stabile vertikale Schichtung des Wassers und bildet der phototrophen bakteriellen Populationen sowie auch chemoorganotrophen Bakterien ideale Lebensbedingungen

Dieses natürliche Phänomen von zwei stabilen Wasserschichten wird krenogene Meromixis genannt. Für die Forschung ist dies interessant, weil die Prozesse der Produktion und der Mineralisierung der Biomasse in zwei getrennten Kompartimenten ablaufen und daher im See unter natürlichen Bedingungen unabhängig voneinander studiert werden können. Im Cadagnosee ist diese Übergangszone mit steilen Gradienten von Licht, Sauerstoff und Sulfid und übereinander gelagerten Reaktionen und Bakterienpopulationen gegen 2 Meter dick und kann mit hoher räumlicher Auflösung beprobt werden. In den meisten Seen liegt diese Übergangszone zwischen Wasser und Sediment über eine Distanz von Millimetern bis Zentimetern und ist deshalb methodisch schwieriger zu untersuchen

Die krenogene Meromixis im Cadagnosee ist ein einmaliges Phänomen im gesamten Alpenraum und auch weltweit selten.

Da der Anteil an kultivierbaren Bakterien in Umweltproben bei 0,1% liegt, wurde nach ersten Untersuchungen in den 80er Jahren auf mikroskopische Methoden mit Fluoreszenzmarkierung umgestellt. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Aquatische Ökosysteme in Pallanza wurden die Bakterien nach Anfärbung der bakteriellen Nukleinsäuren in den verschiedenen Schichten des Sees quantifiziert und nach Morphotypen charakterisiert (Dissertation Bensadoun). 1994 wurden mit der in situ Hybridisierung ganzer Zellen in Zusammenarbeit mit dem Institut für Terrestrische Ökologie der ETH Zürich (D. Hahn) und der Technischen Universität München und dem Max-Planck-Institut Bremen (R. Amann) moderne molekulare Nachweismethoden eingeführt.

Seit 1995 der Einführung der Nukleinsäure-Amplifikation (PCR) und der Sequenzierung von ausgewählten Genabschnitten (16S ribosomale DNA) werden nicht kultivierbare Bakterien molekular charakterisiert. Diese Arbeiten haben ermöglicht, die Bakterien im Cadagnosee in einer Raum-Zeit-Verteilung zu beschreiben. Dabei wurden mit spezifisch entwickelten DNA-Sonden neue Arten von phototrophen und sulfatreduzierenden Bakterien entdeckt, die vorher nie in einer Grenzschicht zwischen der oxischen und der anoxischen Schicht beobachtet worden waren. Ebenso wurden die Populationen im See mittels Temperatur-Gradient-.Gel-Elektrophorese (TGGE) und Denaturierender-Gradient-Gel-Elektrophorese (DGGE) (M. Bottinelli) charakterisiert (Dissertationen Bottinelli und Shahn).

Die Erfahrungen in der mikrobiellen Ökologie des Cadagnosees ermöglichen uns, ähnliche Studien an anderen Ökosystemen durchzuführen. In einer Abschlussarbeit in Naturwissenschaften (Universität Pavia) wurde der Muzzanersee über ein Jahr ökologisch charakterisiert, dazu das Cyanobakterium Microcystis wesenbergii, verantwortlich für eine Sommeralgenblüte, isoliert und das für die Synthese des toxischen Microcystin verantwortliche Gen charakterisiert.

Eine Dissertation (Universität Genf) in Zusammenarbeit mit der Stiftung Bolle di Magadino und finanziert durch das Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft und den Kanton Tessin studierte die ökologische und genetischen Auswirkungen der biologischen Kontrolle der unerwünschten Mücke Aedes vexans durch das Bakterium Bacillus thuringiensis israelensis.

Oekologische Projekter der Universität Zürich (Institute für Pflanzenbiologie, systematische Botanik und Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften)

Die ersten kursartigen Feldarbeiten fanden 1983 mit Studentengruppen durch Kurt Hanselmann ihren Anfang; die damaligen Infrastrukturen im oberen Stallgebäude waren minimal, Strohlager, Plumpsklosett und fliessendes Wasser draussen am Brunnen auf dem Vorplatz. Die Zusammenarbeit „Zürich-Tessin“ in Feldforschung begann mit den beiden Tessiner Studenten, Claudio Del Don und Mauro Tonolla. Claudio lieferte in seiner Diplomarbeit den ersten limnologischen Seebeschrieb (1986) und Mauro untersuchte die vertikalen Bewegungen der Schicht der phototrophen Bakterien im Wasser (1987). Diese beiden Arbeiten bildeten die Grundlage für viele weitere Untersuchungen zur Chemie und Biologie des Sees und der komplexen Analyse der Bakterienbewegungen. Die letzteren wurden in den Diplomarbeiten von Johanna Loch (1989) und René Israng (1992) mit elektronischen Sonden weiter entwickelt und fanden in der Arbeit von Konrad Egli (1997) ihren Abschluss. Konstanze Mez (1992) und Barbara Känel (1992) erweiterten in einer für die Universität erstmalig zu zweit erarbeiteten Diplomarbeit die limnologischen Grundlagen des Schwefelkreislaufes und Franziska Gassmann (1988), Michaela Waldburger-Schlapp (1990) und Adriano Joss (1993) studierten die Fluoreszenz der phototrophen Bakterien im Labor wie auch mit einem selbstgebauten Gerät in situ im Feld. Markus Fritz (Dissertation 1999) erweiterte die chemischen Analysen auf die im Wasser gelösten flüchtigen organischen Schwefelverbindungen. Lucas Lüthy (1999) gelang es, die Oxidations- und Reduktionsraten im Schwefelkreislauf erstmalig in situ in der Bakterienschicht zu bestimmen.

Mikrobielle Prozesse in den Sedimenten des Cadagnosees wurden von Helmut Brandl (1984) und Patrick Höhener (1986) untersucht und René Hutter (1989) suchte die Verbindungen zwischen Schwefel- und Eisenkreislauf im Sediment zu erklären. Christine Lehmann (Dissertation 1999) untersuchte mit neuen Methoden die Sulfatreduktion im Sediment des Sees und Linda Birch (Dissertation 1993) verfolgte den Schadstoffeintrag aus der Atmosphäre in den Alpensee anhand der im Sediment fixierten Schwermetalle.

Yvonne Weggler (1981) suchte schweizweit nach Sulfureten und kam dabei auch auf die Matten in den Feuchtgebieten von Cadagno (Bolle die fuori). Maja Ulmer Lazzaretti (1988) charakterisierte diese Bakterienmatten und Markus Wiggli (Dissertation 1997) erweiterte diese Untersuchungen mit spektroskopischen Messungen. Barbara Rutishauser (1997) interessierte sich für die Bildung von Phosphin in diesen Moorgebieten. Thomas Horath (1998) isolierte und charakterisierte phototrophe Bakterien aus den Bakterienmatten.

Ferdi Schanz bearbeitete mit den Diplomanden Carmen Fischer-Romero (1989), Claudia Friedl (1987), Piero Pasini (1999) und Susanne Stalder (1990) Fragen der photosynthetischen Produktion der phototrophen Bakterienschicht und des speziellen Lichtklimas im See. Astrid Schenk zeigte erstmals bakterielle Botenstoffe (Homoserinlaktone) in den natürlichen Bakteriengemeinschaften der Bakterienmatten (1998).

Von der ETH kommend führte Rolf Stettler in der Gruppe die molekulare Analytik von mikrobiellen Ökosystemen ein, die Diplomarbeiten von Yves Santini (1998), Dominique Grüter (1999) und die Dissertation von Philipp Bosshard (2000) geben gute Einblicke in die mikrobielle Vielfalt dieses besonderen Bergsee-Ökosystems.

Auch sind einige terrestrische Arbeiten zu erwähnen: die Dissertationen von Andreas Schürmann (1999) und Joachim Mohn (1999) über die Freisetzung von Stickoxiden aus alpinen Böden, mit dem Befund, dass im Winter unter der dicken Schneedecke weit mehr N₂O freigesetzt wird als in der wärmeren Jahreszeit. Die Dissertation von Thomas Horath (2010) illustrierte mit der physiologischen und molekularen Untersuchung der endolithischen Mikroorganismen in Dolomit im Pioratal ein bisher wenig beachtetes Ökosystem.

Am Institut für systematische Botanik der Universität Zürich entstanden unter Jakob Schneller verschiedene Diplomarbeiten zu Biodiversität, Populations- und Fortpflanzungsbiologie von Polygonum viviparum (Martin Bauert, 1991), Anthyllis vulneraria (Karoline Haessig, 1993), Pulsatilla apiifolia  (Evelyn Pelascini, 1993) und Euphrasia minima (Waldburga Liebst, 1999) und die Dissertationen von Martin Bauert (1994), Waldburga Liebst (2006) und Urs Landergott (2007).  Mit Edwin Urmi arbeiteten Silvia Stofer (1995) und Ariel Bergamini (1995) über die Moosflora in Beziehung zu Umweltfaktoren im Berggebiet.

Am Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften untersuchte Sabine Ragot (2011) in einem interdisziplinären Projekt mit Botanikern und Geologen die Mikroorganismenflora auf Apatit und die Solubilisierung von Phosphat aus dem Gestein an den Apatitvorkommen im Gebiet der Miniera oberhalb des Lago di Dentro.

Immer wieder führten auch Studenten anderer Hochschulen ihre Forschungsarbeiten am Zentrum aus, von der Universität Konstanz Stefan Wagener (Dissertation 1989) über Protozoen im anoxischen Tiefenwasser und Markus Fritz (1995) zu flüchtigen Schwefelverbindungen im Tiefenwasser der Sees. Martine Uhde (1991) von der ETHZ/EAWAG und der Universität Freiburg i.Br. interessierte sich für die Mischungsprozesse im See mittels Schwefelhexafluorid als Tracer.