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Forschungsaktivitäten

In den vergangenen Jahrzehnten wurden viele wissenschaftliche Arbeiten, ausgehend vom Zentrum für Alpine Biologie, im Raum Piora durchgeführt, besonders durch die beiden mikrobiologischen Arbeitsgruppen der Universitäten Genf und Zürich. Viele dieser Projekte waren durch den Schweizerischen Nationalfonds für wissenschaftliche Forschung finanziert.

 

Jedes Jahr organisiert das Laboratoire d 'Ecologie microbienne der Universität Genf, zusammen mit dem Institut für Mikrobiologie (ICM) des Kantons Tessin Universitätskurse in mikrobieller Ökologie und angewandter alpiner Mikrobiologie für die Masterausbildung in Natur- Und Umweltwissenschaften (MUSE). Ähnliche Kurse werden durch die Universität Zürich angeboten (Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften).

Mikrobielle Oekologie und molekulare Charakterisierung von Mikroorganismen in geschichteten Wassersystemen

 

Dieser Forschungsbereich ist am kantonalen Tessiner Institut für Mikrobiologie (ICM) zentral in Lehre und Forschung. Er ist fokussiert auf die Ökologie der bakteriellen Gemeinschaften in den verschiedenen Schichten der Wassersäule und der Sedimente des Cadagnosees. Das Hauptziel ist die Analyse und die Charakterisierung der bakteriellen Zusammensetzung, der räumlichen und zeitlichen Verteilung der wichtigsten Arten, sowie das Studium der riesigen Diversität mikrobieller Populationen und ihrer physiologischen Aktivitäten in den verschiedenen Schichten des Sees. 

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"48 STUNDEN BIODIVERSITAET"

Am 24. und 25. Juli 2010 widmeten sich über 50 Spezialisten der gesamten Biodiversität des Pioratales, mit ausgedehnten taxonomischen Bestimmungen, Zählungen und Dokumentationen. Die Tage wurden organisiert in Zusammenarbeit mit dem Kantonalen Museum für Naturgeschichte (MCSN) und der naturwissenschaftlichen Gesellschaft des Kantons Tessin (STSN).

 

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Aktuelle Projekte

des Labors für Mikrobielle Oekologie der Universität Genf und des kantonalen Tessiner Institutes für Mikrobiologie

 

 

Interdisziplinäre Forschung an anoxischen Sedimenten des Cadagnosees

Mit dieser Forschung werden die Geschichte des Sees mit den früher aufgetretenen Rutschungen und die Evolution der mikrobiellen Populationen untersucht. Aus subfossilen Proben aus verschiedenen Schichten des anoxischen Sedimentes wird DNA extrahiert, quantifiziert und teilweise sequenziert. Die verschiedenen Populationen von phototrophen Schwefelbakterien konnten über die gesamte Sedimentschicht gefunden werden. Die Veränderungen in den Konzentrationen der verschiedenen bakteriellen Gemeinschaften mit der Tiefe zeigen, dass wichtige Umweltveränderungen in der Geschichte des Sees stattgefunden haben. Die 10 Meter langen Sedimentkerne entsprechen etwa 10’000 Jahren Seegeschichte.

 

Die Rolle der Purpurbakterien in der Primärproduktion des Cadagnosees

Das Projekt versucht die ökologische Bedeutung von Purpur-Schwefelbakterien und deren Stoffwechsel im See besser zu verstehen, besonders hinsichtlich der Primärproduktion, der Assimilation von CO2. Experimentiert wird mit dem Stamm Thiodictyon sp. Cad16, der aus der Chemokline des Sees isoliert worden war.

 

Symbiontische Aggregatbildung von Bakterien

In der Chemokline des Cadagnosees, in der Tiefe zwischen 11 und 14 m, bilden sich in der vielfältigen mikrobiellen Gemeinschaft Strukturen, die aus zwei Bakterienarten bestehen: rote Schwefelbakterien der Familie Chromatiaceae (Thiodictyon sp.) mit Sulfat-reduzierenden Bakterien der Familie Desulfovibrionaceae (Desulfocapsa thiozymogenes). Diese Aggregation ist artspezifisch, aber nicht obligat, aber es erleichtert das Überleben der beiden Arten. Es werden die chemischen und physikalischen Bedingungen gesucht, unter welchen die Aggregate gebildet werden und ihre dreidimensionale Struktur zusammen mit ihrer physiologischen Rolle aufgeklärt.

 

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Biogeochemische Kreisläufe im See

 

Die Kenntnisse über die verschiedenen Organismen im Cadagnosee werden gekoppelt mit den biogeochemischen Kreisläufen der wichtigsten Elemente, im speziellen mit dem Schwefel und dessen Umwandlungen im Energiestoffwechsel der phototrophen Bakterien. Dies ermöglicht den ganzheitlichen Zugang zum komplexen Netzwerk der Prozesse im aquatischen System.

Das Band von Dolomit, das die Pioramulde durchzieht, wurde durch die Medien wegen möglicher Probleme im Zusammenhang mit dem Bau des NEAT-Tunnels allgemein bekannt. Durch die Verwitterung von Dolomit reichern sich in einigen Gewässern des Tales verschiedene Mineralsalze an, vor allem Karbonate, Sulfate, Kalzium und Magnesium. So angereichertes Wasser strömt aus Unterwasserquellen am Boden des Cadagnosees. So bilden sich im See zwei Schichten unterschiedlicher Dichte und Zusammensetzung, eine obere zwischen 0 und 11 m Tiefe mit Wasser von geringem Salzgehalt und hohem Sauerstoffgehalt, und eine untere mit Wasser von hohem Salzgehalt und fehlendem Sauerstoff (anoxisch, zwischen 11 m und der maximalen Tiefe von 21 m).

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.

Es beschreibt einen natürlichen Lebensraum mit hoher Artenvielfalt und kann als Modell dienen für das Verständnis der Rolle der Mikroorganismen in den globalen Stoffkreisläufen. Über die biologische Vielfalt der Mikroorganismen auf ökologischer Ebene ist noch wenig bekannt, die Entwicklung spezifischer molekularer Methoden ermöglicht erst seit wenigen Jahrzehnten, diese Vielfalt genauer zu beschreiben.

Da wissenschaftliche Ausbildung immer mit entsprechender Forschung einher gehen muss, hat das ICM 1992 beschlossen, mikrobiologische Forschung wieder aufzunehmen und zu fördern, auch ausserhalb von spezifischen Schulungskursen, mit einer Ausrichtung auf ökologische Forschung am Cadagnosee. Neben den klassischen Methoden, die wichtig sind für die Vergleichbarkeit mit früheren Daten und mit anderen Ökosystemen, erlauben neue molekulare und biophysikalische Techniken, besonders die molekularen Charakterisierung mit in situ Techniken, eine Charakterisierung von mikrobiellen Gemeinschaften mit hoher Spezifität und Auflösung in Raum und Zeit.

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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).

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Daneben wurde aber die klassische Kultivierung und Untersuchung des Stoffwechsels der Organismen nicht vernachlässigt, sie ist wichtig für die Aktivitäten am Standort sowie für neue interessante Entwicklungen in der Biotechnologie, wie die Nutzung phototropher Bakterien für die Reinigung von Abwasser oder den Abbau von Schadstoffen, wie dies z.B. halogen-organische Organismen der Gattung Desulfomonile zu leisten vermögen. Verschiedene anaerobe phototrophe Bakterien (z.B. Lamprocystis) und Sulfatreduzenten (z.B. Desulfocapsa) stehen nun als Reinkulturen für physiologische Studien zur Verfügung.

Neben phylogenetischen Aspekten interessieren besonders die physiologischen Wechselwirkungen zur Umgebung (Seewasser) und zwischen verschiedenen Organismen (Syntrophie und Symbiose, Dissertation S. Peduzzi).  

Das Schlüsselenzym der photosynthetischen CO2 Fixierung ist RubisCO, es liess sich mit Real Time PCR nachweisen. Damit werden sich interessante Zusammenhänge zwischen dem Schwefel- und dem Kohlenstoffzyklus finden lassen.

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.

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© Centro Biologia Alpina | last update: 18.07.2014 | Credits

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