Project

Back to overview

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

English title Bioconvection-mediated microbial ecophysiology in aquatic systems: Multi-scale dynamics in the chemocline of meromictic Lake Cadagno
Applicant Tonolla Mauro
Number 179264
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Laboratorio di Microbiologia Applicata DACD-SUPSI SUPSI
Institution of higher education University of Applied Sciences and Arts of Southern Switzerland - SUPSI
Main discipline Experimental Microbiology
Start/End 01.11.2018 - 31.10.2022
Approved amount 632'000.00
Show all

All Disciplines (3)

Discipline
Experimental Microbiology
Ecology
Hydrology, Limnology, Glaciology

Keywords (7)

Carbon fixation; Chromatium okenii; sulfur cycle; Bioconvection; phototrophic sulfur bacteria; meromictic lakes; Lake Cadagno

Lay Summary (German)

Lead
Die Wassersäule des Cadagnosee ist permanent stratifiziert, d. h. das Oberflächenwasser mischt sich nicht mit dem Tiefenwasser. Der Grund für dieses Phänomen liegt darin, dass das Tiefenwasser aufgrund von einströmendem Grundwasser aus dem kalkhaltigen Fels mit gelösten Salzen angereichert wird, und daher eine höhere Dichte als das Oberflächenwasser aufweist. Die Stratifizierung führt zu unterschiedlichen chemischen Bedingungen in den beiden Bereichen der Wassersäule. So ist zum Beispiel gelöster Sauerstoff nur im Oberflächenwasser messbar, während gelöster Schwefelwasserstoff nur im Tiefenwasser vorhanden ist. Purpurbakterien der Art Chromatium okenii haben sich auf das Leben in der Grenzschicht zwischen diesen zwei Wasserkörpern spezialisiert. Durch die massenweise Ansammlung an der Grenzschicht erhöht die C. okenii Population lokal die Dichte des Wassers, was zeitweise zurvertikalen Durchmischung der Wassersäule führt, zur sogenannten Biokonvektion.
Lay summary

Titel des Forschungsprojekts

Einfluss der Biokonvektion auf die aquatische mikrobielle Ökophysiologie – Multidimensionale Analyse der Chemokline des meromiktischen Cadagnosees 

Lead

Die Wassersäule des Cadagnosee ist permanent stratifiziert, d. h. das Oberflächenwasser mischt sich nicht mit dem Tiefenwasser. Der Grund für dieses Phänomen liegt darin, dass das Tiefenwasser aufgrund von einströmendem Grundwasser aus dem kalkhaltigen Fels mit gelösten Salzen angereichert wird, und daher eine höhere Dichte als das Oberflächenwasser aufweist. Die Stratifizierung führt zu unterschiedlichen chemischen Bedingungen in den beiden Bereichen der Wassersäule. So ist zum Beispiel gelöster Sauerstoff nur im Oberflächenwasser messbar, während gelöster Schwefelwasserstoff nur im Tiefenwasser vorhanden ist. Purpurbakterien der Art Chromatium okenii haben sich auf das Leben in der Grenzschicht zwischen diesen zwei Wasserkörpern spezialisiert. Durch die massenweise Ansammlung an der Grenzschicht erhöht die C. okenii Population lokal die Dichte des Wassers, was zeitweise zurvertikalen Durchmischung der Wassersäule führt, zur sogenannten Biokonvektion.

Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts

Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, die Auswirkungen der Biokonvektion auf die Ökophysiologie der dominanten mikrobiellen Arten des Cadagnosees zu verstehen. Mit einem interdisziplinären Ansatz werden zuerst die physikalisch-chemischen Umweltbedingungen bestimmt, die das Wachstum der Mikroorganismen beinflussen. In einem nächsten Schritt werden mit Hilfe von Untersuchungen in Mikrokosmen und im See direkt die ökophysiologischen Auswirkungen der Biokonvektion auf einzelne Organismen studiert. Schlussendlich werden die Auswirkungen der Biokonvektion auf das gesamte mikrobielle Ökosystem des Sees untersucht. Die Feldarbeiten werden in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Alpine Biologie Piora, das am Cadagnosee liegt, durchgeführt.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungspro-jekts

Man nimmt an, dass phototrophe schwefeloxidierende Bakterien –wie die hier studierten C. okenii –zu den ersten Lebensformen der Erde gehörten, da Sauerstoff damals noch nicht vorhanden war. Die heutigen Mikroorganismen sind daher relativ nahe Verwandte der ursprünglichen Schwefelverwerter, die am Anfang der enormen Lebensvielfalt auf der Erde stehen. Ein Vergleich der verschiedenen phototrophen schwefeloxidierenden Bakterien im Cadagnosee, die zwar ähnliche ökologische Nischen nutzen, sich aber physiologisch deutlich voneinander unterscheiden, könnte Erklärungen liefern für die drei unterschiedlichen evolutionäre Linien der 3 wichtigsten Bakterienpopulationen des Sees.

Key words

Biokonvektion, Chromatium okenii, Cadagnosee, Schwefelzyklus, CO2-Fixierung.

1 Oktober 2018

Direct link to Lay Summary Last update: 26.09.2018

Lay Summary (French)

Lead
Pendant toute l'année le lac de Cadagno présente une stratification permanente de ses eaux, La couche supérieure, contenant de l'oxygène, est placée sur une couche anoxique plus dense et très riche en sels dissous. Les bactéries pourpres sulfureuses de l'espèce Chromatium okenii se développent entre les deux couches, à l’interface oxique-anoxique, où elles sont capables de mélanger des volumes considérables d'eau. Ce mélange ne se produit pas par agitation directe des flagelles mais par augmentation de la densité de l’eau due à l’accumulation de ces microorganismes dans une zone étroite où la lumière filtre par la surface du lac et où l’oxygène disparait. De cette façon, la densité par volume dans cette zone étroite augmente et l'eau commence à s’abaisser, emportant avec elle les microorganismes dans un processus connu sous le nom de bioconvection.
Lay summary

Titre du projet de recherche

Influence du processus de bioconvection sur l’écophysiologie microbienne des milieux aquatiques – Analyse en multi-dimension des dynamiques dans la chemocline du Lac méromictique de Cadagno

Lead

Pendant toute l'année le lac de Cadagno présente une stratification permanente de ses eaux, La couche supérieure, contenant de l'oxygène, est placée sur une couche anoxique plus dense et très riche en sels dissous. Les bactéries pourpres sulfureuses de l'espèce Chromatium okenii se développent entre les deux couches, à l’interface oxique-anoxique, où elles sont capables de mélanger des volumes considérables d'eau. Ce mélange ne se produit pas par agitation directe des flagelles mais par augmentation de la densité de l’eau due à l’accumulation de ces microorganismes dans une zone étroite où la lumière filtre par la surface du lac et où l’oxygène disparait. De cette façon, la densité par volume dans cette zone étroite augmente et l'eau commence à s’abaisser, emportant avec elle les microorganismes dans un processus connu sous le nom de bioconvection.

Contenu et objectifs du travail de recherche

L'objectif principal de ce projet est d'étudier les effets du processus de bioconvection sur l'écophysiologie des principales espèces microbiennes dans les milieux aquatiques. Grâce à une approche multidisciplinaire, les conditions environnementales physico-chimiques nécessaires au développement optimal des microorganismes seront d'abord déterminées. Par la suite, les effets éco-physiologiques de ce processus seront analysés à travers la préparation de microcosmes en laboratoire et directement dans le lac (grâce aux structures du Centre de Biologie Alpine de Piora). À la fin de ce projet, les conséquences de la bioconvection sur l'écosystème microbien du lac seront étudiées.

Contexte scientifique et social du projet de recherche

On suppose que les bactéries phototrophes sulfureuses étudiées dans ce projet sont parmi les premières formes de vie apparues sur la Terre lorsque l'oxygène n'était pas encore présent. Ces microorganismes primitifs pourraient donc représenter le point de départ de tout le processus évolutif qui a conduit à une présence massive et hétérogène de la vie sur notre planète. La comparaison et les interactions de différentes espèces de bactéries phototrophes sulfureuses très similaires du point de vue écologique, mais très différentes au niveau physiologique, révéleront des détails importants sur trois lignes évolutives distinctes pour le 3 populations bactérienne principales du lac.

Mots-clés

Bioconvection, Chromatium okenii, lac de Cadagno, cycle du soufre, fixation du CO2.

1 octobre 2018

Direct link to Lay Summary Last update: 26.09.2018

Lay Summary (Italian)

Lead
Il lago di Cadagno presenta durante tutto l’arco dell’anno una stratificazione permanente delle sue acque, lo strato d’acqua superiore contenente ossigeno è posto sopra uno strato anossico molto ricco in sali disciolti. Batteri sulfurei rossi anaerobici della specie Chromatium okenii si sviluppano all’interfaccia dei due strati dove sono in grado di mescolare considerevoli volumi d'acqua, non agitandola direttamente con i loro flagelli ma raggruppandosi alla ricerca di luce in una zona ristretta in prossimità del fronte di diffusione dell’ossigeno. Così facendo la densità per volume aumenta e l’acqua inizia a scendere portando con sé i microorganismi in un processo noto come bioconvezione.
Lay summary

Titolo del progetto di ricerca

Einfluss der Biokonvektion auf der aquatischen mikrobiellen Ecophysiologie – Multidimensionelle Analyse der Dynamik in der Chemokline des meromiktischen Cadagnosee

Influence du processus de bioconvection sur l’écophysiologie microbienne des milieux aquatiques – Analyse en multi-dimension des dynamiques dans la chemocline du Lac méromictique de Cadagno

Influenza del processo di bioconvezione sull’eco-fisiologia microbica in ambienti acquatici – Analisi multidimensionale delle dinamiche nel chemoclino del lago meromittico di Cadagno

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

In sintesi

Il lago di Cadagno presenta durante tutto l’arco dell’anno una stratificazione permanente delle sue acque, lo strato d’acqua superiore contenente ossigeno è posto sopra uno strato anossico molto ricco in sali disciolti. Batteri sulfurei rossi anaerobici della specie Chromatium okenii si sviluppano all’interfaccia dei due strati dove sono in grado di mescolare considerevoli volumi d'acqua, non agitandola direttamente con i loro flagelli ma raggruppandosi alla ricerca di luce in una zona ristretta in prossimità del fronte di diffusione dell’ossigeno. Così facendo la densità per volume aumenta e l’acqua inizia a scendere portando con sé i microorganismi in un processo noto come bioconvezione.

Soggetto e obiettivi

L’obiettivo principale di questo progetto è quello di studiare gli effetti del processo di bioconvezione sull’eco-fisiologia delle specie microbiche chiave in ambienti acquatici. Grazie ad un approccio multidisciplinare verranno dapprima determinate le condizioni chimico-fisiche ambientali necessarie allo sviluppo ottimale dei microorganismi. In seguito, gli effetti eco-fisiologici di questo processo verranno investigati tramite l’allestimento di microcosmi in laboratorio e analisi direttamente nel lago (grazie alle strutture del centro di biologia alpina in Piora). Alla fine di questo progetto potremo finalmente porre le basi per la comprensione delle conseguenze della bioconvezione sull’intero ecosistema del lago.

Contesto socio-scientifico

Si presume che i batteri sulfurei fototrofi anaerobici studiati in questo progetto siano tra le prime forme di vita apparse sulla Terra, quando l’ossigeno non era ancora presente. Questi microorganismi primitivi potrebbero quindi rappresentare il punto di partenza di tutto il processo evolutivo che ha portato ad una massiccia ed eterogenea presenza di vita sul nostro pianeta. Il confronto e le interazioni di diverse specie di solfobatteri fototrofi molto simili dal punto di vista ecologico, ma molto differenti nella fisiologia, svelerà dettagli importanti su tre distinte linee evolutive.

Parole chiave

Bioconvezione, Chromatium okenii, lago di Cadagno, ciclo dello zolfo, assimilazione di CO2.

1 ottobre 2018

Direct link to Lay Summary Last update: 26.09.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

Building on our recent work that demonstrated how bacterial motility can induce mixing in an stratified lake, we propose a cross-disciplinary approach to directly test the ecophysiological ramifications of biomixing in meromictic Lake Cadagno (46.55087°N, 8.71153°E, depth ~ 21 m, 1920 m asl). Using concerted experiments across temporal, spatial and ecological scales, BIOCAD will assess microbial physiology at the individual, population and community level. The proposed project will thus offer an unprecedented level of understanding of microbial ecology in meromictic lakes. Owing to their miniscule size, aquatic microorganisms (length < 100 µm) cannot efficiently mix water by swimming. However, when in high numbers, microorganisms like Chromatium okenii (Bacteria, Chromatiales) can trigger bioconvection, a physical mechanism in which fluid mixing is induced by a density increase at the surface of a water compartment. By combining in-situ measurements in Lake Cadagno, laboratory experiments and numerical simulations we recently demonstrated that bioconvection, so far observed only under laboratory settings, could induce mixing in a stratified natural water body. C. okenii, a positively phototactic and negatively aerotactic species, was able to create a sustained well-mixed layer, varying from 0.3 m to 1.2 m in thickness, located at around 12 m depth (e.g.. in the chemocline of Lake Cadagno). Despite its now-demonstrated occurrence, the environmental drivers of bioconvection and its impacts on the ecological community in the chemocline remain unknown. Thus the objective of the proposed project is to understand two fundamental scientific question: (i) What are the environmental drivers influencing bacteria-induced bioconvection? and (ii) does bioconvection influence microbial ecophysiology? We have identified Lake Cadagno as the ideal study system to address these questions, mainly for two reasons: 1) the reported occurrence of bioconvection, reproducible over seasonal time scales, and 2) the extensive research experience during the past 30 years led by our research team. The specific aims of BIOCAD will be to a) understand how ecophysiology of microorganisms in Lake Cadagno is coupled to the bio-convective mixing, b) role of bioconvection in shaping the chemocline microenvironment and to evaluate the potential metabolic advantage (e.g., fitness) to C. okenii, and c) to assess the consequences of bioconvection on key biogeochemical cycles at the ecosystem scale. These aims will be supported by a laboratory platform to conduct experiments at the individual and population scale under gradients of light, sulfide, oxygen and density. We will thus apply a combination of field experiments and laboratory experiments to acquire data on the ecophysiology of dominant microorganisms in the chemocline of Lake Cadagno. In particular, we aim to measure the physiological state of the microorganisms over the entire ice-free period (typically from early June till October) and to test their phenotypic traits including cell volume, motility and density using microfluidic and millifluidic experiments. Alongside, high-frequency turbidity measurements (a proxy for cell concentration) and physico-chemical profile measurements (an estimate of the intensity of bioconvection) will be used to monitor bioconvection in Lake Cadagno. We will map the field data to the phenotypic data and look for specific trends over short (diurnal) and longer (seasonal) time scales. We will evaluate variations in microbial fitness by assessing cell fitness (growth rate, ATP concentration, CO2 fixation and presence of sulfur globules) and provide a molecular basis by looking at specific gene expression (transcriptomics) of C. okenii population before, during and after periods of bioconvection. Finally, we will use all data from measurements and experiments as input for numerical simulations to a) predict environmental drivers of bioconvection and b) the role of bioconvection on microenvironmental conditions. We believe this proposal falls squarely within the purview of the SNF Research Grant because of the fundamental scientific questions that it will address. Using the multi-pronged approach, this proposal will reveal the relevant ecological settings in which bioconvection can mediate microbial community structure and functioning in aquatic environments. The established collaboration between the primary applicant and the project partners, combined with previous proof-of-concept studies and pilot in-situ measurements have inspired the above set of key questions. By exploiting a multi-scale cross-disciplinary approach, BIOCAD will pioneer the research on bioconvection-mediated microbial ecology. This will have ramifications not only on our understanding of meromictic lakes worldwide, but also on aquatic microbial ecology in general.
-