Forschung

Protisten spielen eine entscheidende Rolle als Räuber verschiedener Mikroorganismen oder als Algen betreiben sie die wichtige Photosynthese. Protisten üben also einen erheblichen Einfluss auf Umweltprozesse aus und fungieren als subtile Orchestratoren des Mikrobioms. Wir untersuchen die Verbreitung und ökologische Funktion von Protisten in zahlreichen aquatischen Lebensräume.

Lokale Fließgewässer

Koblenz ist eine Stadt des Wassers. Mit direkter Nähe zur Mosel und dem Rhein, zwei wichtigen Fließgewässern des Rheinlands. Beide Gewässer sind durch den Menschen stark verändert, sei es in Fließgeschwindigkeit, der lokalen Artenzusammensetzung, durch Stauung und vielem mehr. Gegenstand unserer Forschung ist, wie sich diese Änderungen auf die Mikroorganismen und damit deren ökologischer Funktion ausüben. Natürlich liegt auch hier unser Fokus auf die Protisten, seien es Algen, Räuber oder Parasiten.

Polare Meere

Ein Großteil der weltweiten Photosynthese - und damit der für uns alle lebenswichtigen Sauerstoffproduktion - findet in den polaren Meeren statt. Kieselalgen, eine spezifische Gruppe von Protisten, sind daher von enormer Bedeutung für unsere Welt, wie wir sie kennen. Erstaunlicherweise ist bislang kaum etwas über ihre Parasiten bekannt, wie diese ihre Populationen beeinflussen und wie der Klimawandel sich auf dieses System auswirkt. Hier setzt unsere Forschung sowohl in der Arktis als auch in der Antarktis an! Siehe zum Beispiel diese Projektübersicht über unsere laufende Forschung.

Protisten spielen eine zentrale Rolle für die Zusammensetzung des Mikrobioms von Abwasser. Unsere Forschung behandelt die komplexen Interaktionen innerhalb der enormen mikrobiellen Vielfalt in Abwassersystemen. Um die zugrunde liegenden Dynamiken aufzuklären, setzen wir modernste genomische Techniken ein, nutze bioinformatische Methoden und kombinieren diese mit mikroskopiebasierten Ansätzen. Wir stellen hierunter ausgewählte Forschungsergebnisse vor:

Räuber als Biokontrolle

Filamentöse Bakterien verursachen Bläh- und Schwimmschlamm, der in der Abwasserbehandlung regelmäßig zu technischen Problemen, dem Einsatz von chemischen Bekämpfungsmitteln, enormen Kosten und im Schlimmstfall auch zu Verunreinigung der Natur führt. Wir sind stolz, dass wir zur Minderung dieses enormen gesellschaftlichen Problems beitragen konnten. Durch die Analyse von zahlreichen Datensets haben wir gefunden, dass die Amöbe Arcella (rechts) ein effektiver Räuber dieser Bakterien ist und befähigt die Anzahl dieser Bakterien sowohl in kleinskaligen Experimenten, als auch im laufenden Betrieb, zu mindern. Siehe unsere Publikation in dem High-Impact Journal The ISME Journal.

Schadstoffentfernung

Ein zentrales Ziel der Abwasserbehandlung ist die Eliminierung von Schadstoffen, wie (Human)parasiten oder auch potentiell schädliche Antibiotikaresistenzen, um deren Verbreitung in der Umwelt zu verhindern. Unsere Forschung beleuchtet die Prozesse, Organismen und Viren, die an der Entfernung dieser Parasiten beteiligt sind, und untersucht, wann und wie sie effektiv sind. Durch die Analyse dieser Aspekte tragen wir dazu bei, Effizienz und Wirksamkeit der Abwasserbehandlung zu verbessern. Siehe zum Beispiel folgende Veröffentlichungen in dem High-Impact Journal Microbiome zum Thema Viren und Antibiotika-Resistenzgene oder diese hier zum Thema Darmparasiten.

Kleine Dirigenten

Bakterien gelten als die Hauptakteure in der Abwasserbehandlung. Wir zeigen, wie die bakterielle Gemeinschaft von ihren Räubern, den Protisten, beeinflusst und geformt wird. Durch die Untersuchung dieser Interaktionen gewinnen wir wertvolle Einblicke in die Dynamiken in der mikrobiellen Ökologie der Abwasserbehandlung. In dieser in Water Research veröffentlichten Arbeit liefern wir starke Belege dafür, dass Protisten die Zusammensetzung der prokaryotischen Gemeinschaft im Abwasser prägen. Unsere Analysen zeigten, dass Prokaryoten zwar nicht von saisonalen Änderungen der Wassertemperatur beeinflusst werden, jedoch indirekt durch eine saisonale, temperaturbedingte Veränderung der mikroeukaryotischen Gemeinschaft betroffen sind.

Klein, aber Oho!

Mit dem Aufkommen moderner Sequenzierungstechniken sind wir heute in der Lage, wertvolle Einblicke in die dominierenden Protistenarten im Abwasser und deren Auftreten unter spezifischen Bedingungen zu gewinnen. Wir nutzen diese modernen Methoden, um die vielfältigen Protistengemeinschaften in Abwassersystemen deutschland-,europa- bis weltweit zu untersuchten. Dabei entdeckten wir einen dominanten, bislang übersehenen Abwasserprotisten - warum dieser von Bedeutung ist, erläutern wir in unserer in Water Research veröffentlichten Studie.

Lange Zeit blieb die Diversität der Protisten weitgehend unerforscht, doch dank moderner Technologien können gibt es zurzeit einen regelrechten Boom in der Protistologie. In meiner Forschung widme ich mich der faszinierenden Welt der Rhizaria, einer bislang wenig untersuchten Gruppe, deren Artenreichtum und Diversität mit der der Pflanzen vergleichbar ist, und den Amoebozoa. In beiden Gruppen gibt es zahlreiche bemerkenswerte und aggressive Prädatoren, von denen einige ausgeprägte, parasitenähnliche Anpassungen an ihre Beute entwickelt haben.

Symbiose & Parasitismus

Viele Rhizaria zeigen parasitische Lebensweisen und sind zugleich selbst Wirte für andere Parasitengruppen. Mithilfe von Genomsequenzierungen und physiologischen Untersuchungen klären wir die Funktionen symbiotischer Konsortien auf. In Frontiers in Cellular and Infection Microbiology berichten wir über die Entdeckung zahlreicher neuer Taxa der Legionellales, die deren bekannten Wirtsbereich von Amorphea und Excavata auf Rhizaria erheblich erweitern. Aktuell untersuchen wir deren Ausbreitungsstrategien und Virulenz.

Zu den Waffen!

Bisher wurden Protisten hauptsächlich als Räuber von Bakterien gesehen. Protisten als bedeutende Konsumenten großer Beuteorganismen wie filamentöser Pilze, Algen oder sogar kleiner Tiere wurden kaum beachtet. Wir widmen uns der Aufklärung der Mechanismen, mit denen bestimmte Protisten ihre Beute erschließen, der Evolution dieser Mechanismen sowie der Frage, in welchem Ausmaß der von Protisten ausgeübte Prädationsdruck ihre Umwelt beeinflusst. In Soil Biology & Biochemistry präsentieren wir einen Proof of Concept; ebenfalls in Soil Biology & Biochemistry finden sich unsere ersten Einblicke in die Erforschung des faszinierenden Mechanismus, mit dem fungivore Protisten die schützenden Zellwände ihrer Beute überwinden. Unsere Ergebnisse führten zu einem Paradigmenwechsel in der Forschung an Schalenamöben. Unsere Forschung weist darauf hin, dass sie ihre vermeintlich schützende Schale als mikrobielle Waffe nutzen um ihre Beute aufzureißen. Eine Zusammenfassung gib es im European Journal of Protistology veröffentlicht ist.

Taxonomie und Erkundung

Im Rahmen unserer Forschung haben wir erfolgreich Dutzende Arten beschrieben und Barcoding-Ansätze implementiert, um zahlreiche weitere Taxa zu identifizieren und zu katalogisieren. Unsere Arbeiten tragen zu einem umfassenden Verständnis der hohen Diversität innerhalb der Rhizaria bei. Beeindruckende Bilder und Videos finden sich zum Beispiel in einer Publikation im European Journal of Protistology.

Methodenentwicklung

Die ökologische Forschung an Protisten hat stark von den neuen molekularen Werkzeugen profitiert. Dennoch besteht weiterhin Bedarf an der Anpassung und Weiterentwicklung von Methoden in diesem Forschungsfeld. Wir haben historisches Wissen zusammengetragen und in öffentlich zugängliche Datenbanken integriert, um das ökologisch relevante Eigenschaften der breiten Masse zur Verfügung zu stellen um so zur Weiterentwicklung der Protistenforschung beizutragen. So entwickelten wir beispielsweise ein Datenbanken zur automatischen Zuordnung funktioneller Merkmale zu Umweltsequenzierungsdaten für die Rhizaria und Amoebozoa, veröffentlicht in Molecular Ecology Resources. Wir sind überzeugt, dass Forschung eine gemeinschaftliche Anstrengung ist; entsprechend sind das Teilen von Daten, Ergebnissen und Ressourcen von zentraler Bedeutung.