In dieser Arbeit wurden Zell-Zell Interaktionen heterotropher Bakterien aus dem Litoral des Bodensees bei der Besiedlung und dem Abbau partikulären organischen Materials untersucht. Zum einen wurde dabei die Rolle bakterieller Zell-Zell Kommunikation (Quorum Sensing) über N-Acyl-Homoserinlaktone (AHL) unter natürlichen Bedingungen charakterisiert. Zum anderen wurden Interaktionen in einem mixed species biofilm beim Abbau von Chitin untersucht. Für diese Untersuchungen wurden Mikrosmos-Experimente etabliert, in denen partikuläres organisches Material (autoklavierte einzellige Algen oder Chitin) in Agarosepartikel eingebettet wurde und entweder der natürlichen Mikroflora des Bodenseelitorals oder definierten Bakterienstämmen als Substrat in Flüssigkulturen angeboten wurde.
1. In Mikrosmos-Experimenten mit eingebetteten Algen und der natürlichen Mikroflora des Bodenseelitorals reicherten sich zwei dominante Gruppen von Bakterien an, welchen eine wichtige Rolle beim Abbau organischer Partikel zugeschrieben wird. Dies waren einerseits AHL-bildende Gammaproteobakterien der Gattung Aeromonas und andererseits nicht AHL-bildende Stämme der sehr heterogenen Gruppe Cytophaga/Flavobacterium. Einige Stämme beider Gruppen zeigten bei der Isolierung aus den Mikrokosmen Wechselwirkungen bei der Koloniebildung auf Festmedium.
2. Die starke Anreicherung der AHL-bildenden Aeromonas-Stämme unterstützte unsere ursprüngliche Arbeitshypothese, dass AHL-vermittelter Zell-Zell Kommunikation eine wichtige Rolle bei der Besiedelung und dem Abbau von partikulärer organischer Substanz zukommt. Wachstumsversuche mit Rein- und definierten Cokulturen von Aeromonas hydrophila Stamm AH-1N und der nicht AHL-bildenden isogenen Mutante AH-1N ahyI zeigten jedoch, dass AHL-Bildung unter standortnahen Bedingungen für eine erfolgreiche Etablierung innerhalb der Mikrokosmen nicht erforderlich war. Auch in Konkurrenz mit dem Cytophaga sp. Stamm 4D9 war ein Wachstumsvorteil des Stammes AH-1N durch AHL-Bildung nicht zu beobachten.
3. A. hydrophila Stamm AH-1N und Cytophaga sp. Stamm 4D9 konnten beide mit freiem kolloidalem Chitin als Kohlenstoff-, Stickstoff- und Energiequelle in Flüssigkultur wachsen. Lag Chitin in Agarose eingebettet vor, so war Stamm 4D9 nur noch in Cokultur mit Stamm AH-1N in der Lage, mit Chitin zu wachsen. Dabei integrierte sich Stamm 4D9 in den Biofilm des Stammes AH-1N auf den Agarosepartikeln. Stamm 4D9 konnte auch in Gegenwart zellfreier Kulturüberstände, welche von Stamm AH-1N produzierte extrazelluläre chitinolytische Enzyme enthielten, mit eingebettetem Chitin wachsen. Dabei bildete Stamm 4D9 keinen Biofilm. In Cokultur war eine Biofilmbildung des Stammes 4D9 erforderlich, um Zugang zu den durch die chitinolytischen Enzyme von Stamm AH-1N gebildeten Oligomere von N-Acetylglucosamin (GlcNAc) zu erhalten.
4. Weiterhin unterstützte Stamm AH-1N das Wachstum des Pseudomonas aeruginosa-Stammes PAO1 beim Wachstum mit Chitin, welcher in Reinkultur nicht in der Lage war, Chitin abzubauen. In Cokultur mit Stamm AH-1N nutzte Stamm PAO1 das durch Stamm AH-1N während des Wachstums mit Chitin freigesetzte Acetat sowie vermutlich das Chitin-Monomer GlcNAc und zusätzliche bisher nicht identifizierte Chitin-Abbauprodukte, nicht aber die Oligomere GlcNAc2 und GlcNAc3.

Zusammenfassend waren die von uns etablierten Mikrokosmen hervorragend geeignet, um Wechselwirkungen heterotropher Bakterien bei der Besiedlung und dem Abbau organischer Partikel zu untersuchen und dabei die natürlichen Bedingungen des Bodensees zu simulieren. Im Rahmen der Mikrokosmos-Experimente sowie weiterentwickelter Versuche mit Chitin als Substrat wurden neue Zell-Zell Interaktionen standortrelevanter Bakterien entdeckt. Diese Entdeckungen können als Grundlage für weitere Untersuchungen zu spezifischen Wechselwirkungen zwischen heterotrophen Bakterien bei der Biofilmbildung und dem Abbau organischer Partikel dienen.

In this work we investigated cell-cell interactions of heterotrophic bacteria from the littoral of Lake Constance during the colonization and degradation of particulate organic matter. The role of bacterial cell-cell communication (Quorum sensing) via N-acyl-homoserine lactones (AHLs) under natural conditions was characterized. Secondly, the interactions in a mixed species biofilm during the degradation of chitin were investigated. For these investigations, microcosm experiments were established, in which particulate organic matter (autoclaved algae or chitin) was embedded in agarose beads and provided as a substrate for the natural microflora of the littoral of Lake Constance or defined bacterial strains.
1. In microcosm experiments with embedded algae and the natural microflora of the littoral of Lake Constance, two dominant bacterial groups enriched, which play an important role in the degradation of organic particles. These were on the one hand AHL-producing gammaproteobacteria of the genus Aeromonas and on the other hand non AHL-producing strains of the Cytophaga/Flavobcaterium group. Some strains of both groups showed some interesting interactions during the isolation from the microcosms concerning their colony-formation on solid medium.
2. The strong enrichment of the AHL-producing Aeromonas-strains supported our working hypothesis that AHL-mediated cell-cell communication plays an important role during the colonization and degradation of organic particles. However, growth experiments with pure- and defined co-cultures of Aeromonas hydrophila strain AH-1N and the non AHL-producing isogenic mutant AH-1N ahyI showed that AHL-production is not required for strain AH-1N for a successful establishment in the microcosms. Also in competition with Cytophaga sp. Strain 4D9, no growth advantage of strain AH-1N could be observed.
3. A. hydrophila strain AH-1N and Cytophaga sp. strain 4D9 both could grow with free colloidal chitin as a source of energy, carbon and nitrogen in liquid culture. When chitin was embedded in agarose, strain 4D9 was only able to grow with chitin in a co-culture with strain AH-1N. Strain 4D9 integrated into the biofilm formed by strain AH-1N on the agarose particles. Strain 4D9 also could grow with embedded chitin in the presence of sterile filtrated culture supernatant containing extracellular chitinolytic enzymes produced by strain AH-1N. In this case, no biofilm formation of strain 4D9 could be observed. In the co-culture with strain AH-1N, strain 4D9 had to be present within the biofilm in order to access the oligomers of N-acetyl-glucosamine (GlcNAc) formed by the chitinolytic enzymes of strain AH-1N.
4. Strain AH-1N also supported the growth of Pseudomonas aeruginosa strain PAO1 with chitin. Strain PAO1 could not degrade chitin in pure culture. In co-culture with strain AH-1N, strain PAO1 utilized acetate, which was released by strain AH-1N during degradation of chitin, and presumably the chitin-monomer GlcNAc as well as some unidentified chitin degradation products, but not the oligomers GlcNAc2 and GlcNac3.

In summary, the microcosms were appropriate for the investigation of interactions between heterotrophic bacteria during the colonization and the degradation of organic particles under natural conditions. In the course of the microcosm experiments as well as further experiments with chitin as the substrate, we observed novel cell-cell interactions of bacteria which are relevant for this habitat. These findings can serve as a basis for further investigations about specific interactions between heterotrophic bacteria during biofilm formation and degradation of organic particles.