Cyanobacteria (more commonly known as blue-green algae) are photosynthetic bacteria with a worldwide distribution. They are most common in the freshwater environment but are also present in many marine waters. As they are pioneer-organisms and they can often be found in extreme environments. They also constitute the dominant primary producers in the terrestrial Polar Regions and therefore have a pivotal role in polar ecosystems. In freshwater streams, ponds, and lakes that are formed during the polar summer, they occur as benthic or floating mats several millimetres to centimetres thick, sometimes covering several square meters. These mats are the nutritional basis and the micro-habitat for several other types of organisms (primarily proto- and metazoa).
This study describes the species diversity of cyanobacterial mat communities from the Arctic and Antarctic that were collected prior to and during the thesis using molecular phylogenetic techniques. The characterization was accomplished by morphological identification as well as the sequencing of the ribosomal RNA genes and the more variable ITS-region (intergenic spacer region). Conventional molecular biological methods (clone-library, automated ribosomal intergenic spacer analysis (ARISA)) were applied as well as „Next-Generation-Sequencing“ based on the 454® technology. The latter allows thousands of sequences to be obtained from a single sample. Using these methods a comprehensive picture of the phylogenetic diversity could be obtained and mats from the Arctic and the Antarctic region compared with and within each other.

Cyanobacteria synthesize multiple secondary metabolites, some of which are toxic to most higher organisms including humans. Health hazards or even life threatening incidents regularly occur in the temperate and tropical regions during bloom events (mass-occurrences of cyanobacteria).

This study demonstrated that cyanobacterial toxins are present in cyanobacterial mats of the Arctic and the Antarctic. In the Arctic two cyanobacterial toxins were recorded for the first time: An unusual variant of the cyanobacterial hepatotoxin microcystin. This toxin acts as an inhibitor of cellular protein phosphatases (PP 1, 2A, 4 und 5). The second toxin identified was the neurotoxic saxitoxin which inhibits neuronal signal propagation by blocking Na2+ channels. Cylindrospermopsin, a protein synthesis inhibitor was detected for the first time in the Antarctic. These results indicate that the potential for toxin production in the cyanobacterial communities of the Arctic and Antarctic is higher than previously thought.

The Polar Regions are currently subject to profound change: Temperatures are increasing at higher rates than anywhere else on the planet. In is expected that a consequence of climate change will be that the composition of the mat communities comprising cyanobacteria and associated proto- and metazoans, are affected. Because of their simple trophic structure and their sensitivity to change, they are an ideal model system for the exploration of climate induced changes. Therefore the effect of climate change on the diversity and toxicity of cyanobacterial mats was studied here in a laboratory based approach. Increased temperatures (8 - 16 °C) resulted in a higher concentration of microcystin as well as in structural changes of the community composition. Based on these results as well as on previous studies, it can be expected that climate change will affect the toxicity of cyanobacteria in the Polar Regions and in lower latitudes. A general increase and a wider distribution of toxic cyanobacteria, as well as an increase of the rate of toxin production may be expected.

Im Rahmen dieses Dissertationsprojekts wurde das Ökosystem der bisher wenig beschriebenen ‚cyanobakteriellen Matten’ aus den Süßwassersystemen der Arktis und Antarktis untersucht. Der Fokus dabei lag auf ihrer Diversität, Toxizität und den Auswirkungen des Klimawandels auf diese beiden Parameter.

Cyanobakterien (auch bekannt als ‚Blaualgen‘) sind weltweit verbreitete, photosynthetische Bakterien, die hauptsächlich im Süßwasser aber auch in marinen Küstengewässern verbreitet sind. Als Pionier-Organismen sind sie auch an extremen Standorten zu finden und stellen so in den terrestrischen Polargebieten den Hauptteil der Primärproduzenten, womit ihnen eine entscheidende Rolle im Ökosystem zukommt. In den verschiedenen Süßwassersystemen der Arktis und Antarktis wachsen sie im polaren Sommer zu mehreren Quadratmeter umfassenden Matten heran, die einer Vielzahl von anderen Organismen (vor allem Proto- und Metazoen) als Lebensraum und Nahrungsgrundlage dienen.

In dieser Arbeit wurde die Diversität (Artzusammensetzung) mehrerer Matten-Gemeinschaften aus der Arktis und Antarktis, die auf verschiedenen Expeditionen im Vorfeld und während der Dissertation gesammelt wurden, phylogenetisch beschrieben. Die Charakterisierung geschah durch morphologische Identifizierung sowie der Sequenzierung des ribosomalen RNA Gens sowie der variableren ITS-Region (genetischer Fingerabdruck). Dabei wurden konventionelle molekularbiologische Methoden (Klon-Bibliotheken, Automated-Ribosomal-Intergenic-Spacer-Analysis) angewandt, aber auch die Methode des sehr fortschrittlichen „Next-Generation-Sequencing“ basierend auf der 454® Technologie, das bei sehr hohem Durchsatz eine großen Probentiefe ermöglicht. So konnte ein umfassendes Bild der phylogenetischen Diversität gezeichnet und Vergleiche innerhalb einer Region sowie zwischen Arktis und Antarktis gezogen werden (Manuskript 1).

Cyanobakterien synthetisieren eine Reihe von Sekundärmetaboliten, von denen einige toxisch für die meisten höheren Organismen sind, einschließlich des Menschen. Durch das massenhafte Auftreten von Cyanobakterien, so genannten Blüten, kommt es in gemäßigten und tropischen Regionen immer wieder zu gesundheitsgefährdenden oder sogar tödlichen Zwischenfällen. Es konnte in dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass auch in den cyanobakteriellen Matten der Arktis und Antarktis die cyanobakteriellen Toxine zu finden sind. So konnte eine ungewöhnliche Variante des cyanobakteriellen Lebertoxins Microcystin (Manuskript 1 & 2), das als Inhibitor zellulärer Proteinphosphatasen (PP 1, 2A, 4 und 5) wirkt, sowie das neurotoxische Saxitoxin, das die neuronale Reizweiterleitung durch eine Blockade der Na2+-Kanäle inhibiert, erstmalig in der Arktis nachgewiesen werden (Manuskript 2). Weiterhin konnte Cylindrospermopsin, ein Inhibitor der Proteinsynthese, erstmalig in der Antarktis detektiert werden (Manuskript 3). Diese Befunde lassen darauf schließen, dass das Potenzial zur Toxinbildung in den cyanobakteriellen Mattengemeinschaften der Arktis und Antarktis größer ist als bisher angenommen.

Die Polarregionen sind einem starken Wandel unterworfen: Der Klimawandel lässt hier die Temperaturen schneller steigen als in jedem anderen Teil der Erde. Es ist zu erwarten, dass sich mit dem Klimawandel auch das Ökosystem der Mattengemeinschaften, bestehend aus Cyanobakterien und darin lebenden Proto- und Metazoen, weitgehend verändert, die durch ihren einfachen trophischen Aufbau als ideales Modellsystem für die Untersuchung klimabedingter Veränderungen fungieren. In einem Laborexperiment wurde daher die Auswirkung des Klimawandels auf die Artenzusammensetzung sowie die Toxizität der Cyanobakterien untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass erhöhte Temperaturen (8 - 16 °C) eine verstärkte Produktion von giftigen Sekundärmetaboliten in kultivierten Cyanobakterien der Arktis und Antarktis auslösen. Ferner findet eine Umstrukturierung ihrer Diversität stattfindet (Manuskript 1).

Basierend auf diesen Ergebnissen sowie denen anderer vorangegangener Studien ist zu erwarten, dass in den Polarregionen wie auch in unseren Breiten der Klimawandel Auswirkungen auf die Toxizität von Cyanobakterien zeigen wird, wobei mit einer steigenden Verbreitung giftiger Cyanobakterienarten, sowie mit einem Anstieg der Gift-Produktion selbst zu rechnen ist. Im Hinblick auf die zunehmende Wasserknappheit und die intensivierte Nutzung von Wasserspeichern zur Trinkwassergewinnung, Bewässerung, Aquakultur und Freizeit ist daher mit einer Verschärfung des Problems und somit mit einer erhöhten Toxinbelastung beim Menschen zu rechnen.