Analysis of archaeal diversity in the Black Sea sediments by flourescence in situ hybridization technique

Abstract

vııı ÖZET Karadeniz, yeryüzündeki en büyük anoksik su kütlesidir ve kendine özgü bazı özellikleri mevcuttur. Bunlardan birisi de deniz suyunda ve deniz yatağı çökelti çamurlarında yüksek oranda metan gazı üretiminin gerçekleşmesidir. Karadeniz çökelti çamurlarının organik kısmının çoğu, metanojenik arkea gibi anaerobik mikroorganizma toplulukları tarafından metana dönüştürülür. Metanojenik topluluklar ekosistem içerisinde organik maddenin indirgenmesi ve dönüşmesinde çok önemli bir rol oynadıkları için Karadenizin dip havzasında arkeal çeşitlliği araştırmak önem arz etmektedir. Bu çalışmada, Karadenizin değişik bölgelerinden alınmış dip çamurlarında arkeal topluluk çeşitliliği araştırıldı. Bu maksatla Florasanlı yerinde hibritleşme (FISH) tekniği kullanıldı ki bu teknik doğal mikrobiyal toplulukların karakterizasyonunda diğer kültür bazlı geleneksel metodlara göre bir çok önemli avantaja sahiptir. Substrat kullanımına göre metanojenler dört kategoriye ayrılır: sadece asetat kullanan türler (örneğin, Methanosaeta); H2+C02 ve format kullanan türler (örneğin, Methanobacterium, Methanogenium ve Methanospirillum); metil bileşikleri kullanan türler (örneğin, Methanococcoides ve Methanolobus) ve asetat, H2+C02 ve metil bileşikleri kullanan genel kullanıcı türler (örneğin, Methanosarcina). Karadenizde Arkeal çeşitlilik karşılaştırmaları oksik-anoksik çamurlar, merkez- doğu merkez-batı merkez istasyon çamurları ve güneydoğu-güneybatı istasyon çamurları için yapıldı. Ayrıca merkez istasyon için çamur derinliği boyunca karşılaştırma yapıldı. Tüm çamur örneklerinde hemen hemen tüm metanojenik arkea türlerine rastlandı. Ancak, asetoklastik olan Methanosaeta türlerine çok az rastlandı yada hiç rastlanmadı. Bu durum Karadeniz çamurlarında asetoklastik olmayan ama H2+C02'ye bağımlı methanojenesisin baskın şekilde gerçekleştiğini göstermektedir. Karadenizin daha derin kısımlarında yer alan anoksik çamurlarda, sığ kısımlarında yer alan oksik çamurlara göre daha yoğun Arkeal topluluklara rastlandı. Bu durum, organik kompozisyondaki ve oksijen miktarındaki değişimlerden kaynaklanmış olabilir. Merkez istasyonların çamurları arkeal çeşitlilik konusunda genel olarak kendi aralarında benzer bir tutum sergilemektedir. BuIX istasyonlar, 2000 metreden daha derinde yer almakta ve bu istasyonların çamurları yüksek oranda organik karbon ihtiva etmektedir. Bu istasyonlarda hidrojenotrofik metanojenler baskın olarak gözlemlendi ancak asetoklastik Methanosaeta türleri çok az miktarda mevcuttu. Güneydoğu ve güneybatı istasyonlarında da arkeal populasyon dağılımında bazı farklılıklar gözlendi. Sadece güneydoğuda yer alan 23. istasyonda, asetoklastik Methanosaeta diğer tüm Karadeniz istasyonlarına gore daha baskın olarak görüldü. Metan gazının yaklaşık yüzde 60 'ı asetattan geldiği için, bu bölgede yüksek miktarda metan gazı oluşumu beklenmektedir. Merkez istasyon için çamur derinliği boyunca arkeal çeşitliliğe bakıldığında ise türüne göre azalma yada artma şeklinde birtakım farklılıklar görülmüştür.

VI ABSTRACT The Black Sea is the largest stable anoxic water reservoir in the world and it has some unique features, for example there is a high rate of methane generation in seawater and seabed sediments. Much of the organic input into the Black Sea sediments is recycled to methane by anaerobic microbial communities such as methanogenic archaea. Since the methanogenic community plays a crucial role in the degradation of organic substances and the recycling of materials in the ecosystem, it is important to study archaeal diversity in Black Sea deep basin. In this study, archaeal population diversity have been investigated in sediment samples from several locations in the Black Sea by using Fluorescence in situ Hybridization (FISH) technique which has substantial advantages over traditional culture- based methods for the characterization of natural microbial populations. According to the substrate-utilizing capability, methanogens can be divided into four categories: genera using acetate only (e.g., Methanosaeta); genera using H2+C02 and formate (e.g., Methanobacterium, Methanogenium and Methanospirillum); genera using methyl compounds (e.g., Methanococcoides and Methanolobus); and general utilizers using acetate, H2+C02 and methyl compounds (e.g., Methanosarcina). Archaeal populations were compared as oxic-anoxic sediments, sediments of central-eastern central-western central stations, southeastern-southwestern part sediments and depth-related diversity in central station sediment of the Black Sea. Almost all kinds of methanogenic archaea were observed in all sediment samples. However, Methanosaeta species, acetoclastic archaea, were observed scarcely or not in samples. This phenomenon shows that not acetoclastic but H2+C02 dependent methanogenesis dominantly occur in the Black Sea sediments. Archaeal populations were found much more in anoxic deeper parts than oxic shallow parts of the Black Sea. It might be the result of organic composition and the oxygen content differences. Sediments in the central stations generally showed similar attitude about the archaeal diversity. These stations were deeper than 2000 m and their sediments have high organic carbon. In all central stations hydrogenotrophic methanogensvıı were dominant but acetoclastic Methanosaeta species was in low abundance. Some differences were observed in the distribution of the archaeal populations in southeastern and southwestern part sediments. In only south-eastern Station 23, acetoclastic Methanosaeta was the most dominant throughout the Black Sea. High content of methane should be expected for this location, because about 60 per cent of methane comes from acetate. Depth-related archaeal diversity of central station sediments showed that variations in abundance of the archaeal populations according to the species along the depth of the sediment core.