The chemoautotrophic ammonia-oxidizing archaea, affiliated with the phylum Thaumarchaeota, are widespread in many ecosystems and their discovery entailed a revision of the nitrogen cycle. In Baltic Sea pelagic redox gradients, Thaumarchaeota occur in high abundances. However, their contributions to the process of nitrification as well as their adaptations to this habitat remained elusive. In the scope of the present thesis, metatranscriptomics, biogeochemical rate measurements, and group-specific quantifications in environmental samples as well as investigations of enrichment cultures were carried out to resolve these questions. The results showed that nitrification by archaea accounted for up to 86-100% in pelagic redox gradients of the Baltic Sea. Additionally, thaumarchaeotal gene transcripts were most abundant in the nitrification zone, while in the subjacent sulfidic zone, transcripts for genes associated with S-layer proteins or carbon metabolism restructuring may indicate specific adaptations to survive. Concluding, the results of the present thesis show that Thaumarchaeota are substantial drivers within the nitrogen cycle of pelagic redox gradients and important microorganisms for ecosystem functioning of the Baltic Sea.
Die chemoautotrophen, ammoniumoxidierenden Archaeen des Phylums Thaumarchaeota sind weit verbreitet und ihre Entdeckung führte zu einer Revision des Stickstoffkreislaufs. In den pelagischen Redox-Gradienten der Ostsee sind Thaumarchaeota in einer hohen Anzahl vorzufinden, doch ihre Beteiligung an der Nitrifikation sowie potentielle Anpassungen an dieses Habitat blieben bisher unerforscht. In dieser Arbeit wurden daher Metatranskriptomanalysen, biogeochemische Ratenmessungen und gruppenspezifische Quantifizierungen sowie Untersuchungen in Anreicherungskulturen durchgeführt um diese Fragen zu beantworten. Die Ergebnisse zeigten, dass der Anteil der Archaeen an der Nitrifikation in den pelagischen Redox-Gradienten der Ostsee bis zu 86-100% betrug. Gentranskripte der Thaumarchaeota waren in der Nitrifikationszone am abundantesten, wohingegen in der darunterliegenden sulfidischen Zone Transkripte von Genen für S-Layer Proteine oder die Umstrukturierung des Kohlenstoffmetabolismus mögliche spezifische Überlebensanpassungen sind. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Thaumarchaeota maßgeblich am Stickstoffkreislauf der pelagischen Redox-Gradienten beteiligt sind und wichtige Mikroorganismen für die Ökosystemfunktionen der Ostsee darstellen.