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Titel: Charakterisierung der methanotrophen Lebensgemeinschaften in Böden mit geringem Methanangebot und der oligotrophen Adaption
Autor: Knief, Claudia
Weitere Beteiligte: Conrad, Ralf (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2004
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2004/0153
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2004-01531
DOI: https://doi.org/10.17192/z2004.0153
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Charakterization of methanotrophic communities in soils with low methane supply, and oligotrophic adaptation of methanotrophic bacteria

Dokument

Schlagwörter:
Oligotrophic adaptation, Methan, Boden, Oligotrophe Adaption, Methanoxidierende Bakterien, Atmospheric methane oxidation, Biozönose, Atmosphärische Methanoxidation, Anpassung

Zusammenfassung:
Methan (CH4) ist ein Treibhausgas, dessen Mischungsverhältnis in der Atmosphäre derzeit bei 1,75 ppmv liegt. Im globalen Kreislauf des Methans spielen upland soils als Senke für atmosphärisches Methan eine bedeutende Rolle. Für die Umsetzung von Methan in upland soils sind methanotrophe Bakterien (MB) verantwortlich. Zu Beginn dieser Arbeit beschränkte sich das Wissen über die Zusammensetzung der Gilde der MB in upland soils auf wenige, überwiegend saure Waldböden. Deshalb wurde die Charakterisierung der Gilde der MB auf insgesamt 58 upland soils unterschiedlicher Landnutzung und Bodenart ausgeweitet. Der Nachweis der MB erfolgte kultivierungs-unabhängig, basierend auf die Detektion des pmoA-Gens. In den untersuchten Böden wurden MB der bekannten Gattungen Methylocaldum, Methylobacter, Methylosinus und Methylocystis nachgewiesen. Darüber hinaus wurden pmoA-Gene detektiert, die auf verschiedene Taxa unkultivierter Organismen hinweisen. Weit verbreitet in sauren upland soils sind die Sequenzen des upland soil cluster a (USC a), die auch unter dem Namen forest sequences bekannt sind. Erstmals wurde eine zweite Gruppe von Sequenzen nachgewiesen, die als upland soil cluster g (USC g) bezeichnet wurde. Sequenzen des USC g sind entfernt verwandt zu den Sequenzen methanotropher Gammaproteobakterien und wurden ausschließlich in pH-neutralen Böden (pH > 6) nachgewiesen. Diejenigen MB, die in upland soils hauptverantwortlich für die atmosphärische Methan-Aufnahme sind, wurden in ausgewählten Bodenproben anhand markierter Phospholipid-Fettsäuren (PLFAs) identifiziert, welche nach Inkubation der Proben mit 13CH4 erhalten worden waren. Markierte PLFAs, die charakteristisch für methanotrophe Gammaproteobakterien sind, wurden in Böden detektiert, in denen die methanotrophen Gammaproteobakterien ausschließlich von PmoA-Sequenzen des USC g repräsentiert wurden. Die markierten PLFAs in dem Boden, in dem einzig PmoA-Sequenzen des USC a nachgewiesen worden waren, deuteten auf physiologisch aktive methanotrophe Alphaproteobakterien in dem Boden hin. Somit sind sowohl die Organismen des USC a als auch die des USC g an der atmosphärischen Methanoxidation in verschiedenen Böden beteiligt. Die Methan-Verfügbarkeit im Boden beeinflusst die Zusammensetzung und Aktivität der Gilde der MB. Verschiedene Böden mit unterschiedlicher Ausprägung hydromorpher Merkmale, in denen aufgrund temporärer Flutung zeitweilig Methankonzentrationen oberhalb der atmosphärischen auftreten, belegten, dass die apparenten Km-Werte der Gleyböden mit 100 1.100 nM höher waren als die der upland soils und niedriger als die Werte, die für die Methanoxidation an oxisch-anoxischen Grenzflächen methanogener Ökosysteme publiziert sind. Die nachgewiesenen pmoA-Sequenzen deuteten auf eine weite Verbreitung der Gattung Methylocystis und verschiedener unkultivierter potentiell methanotropher Bakterien in den analysierten Böden hin, darunter die Sequenzen des USC a. Der Beitrag der in den Gleyböden vorhandenen MB zur Methanoxidation hing von der Methanverfügbarkeit ab. Während die markierten PLFAs, die nach Inkubation unter Methan-Mischungsverhältnissen von etwa 30 ppmv erhalten worden waren, darauf hinweisen, dass methanotrophe Alphaproteobakterien (Methylocystis spp. und/oder USC a) unter atmosphärischen Bedinungungen aktiv sind, erfolgte unter erhöhten Mischungsverhältnissen (500 ppmv) die Methan-Oxidation auch durch methanotrophe Gammaproteobakterien. Im Rahmen dieser Arbeit wurden MB der Gattungen Methylocystis, Methylosinus und Methylocaldum aus verschiedenen upland soils isoliert und auf ihre Aktivität unter niedrigen Methan-Mischungsverhältnissen (< 1000 ppmv) hin geprüft. Bei Kultivierung in Gegenwart von 10% Methan unterschieden sich die kinetischen Parameter für die Methanoxidation (Vmax(app), Km(app) und a0s) dieser Isolate nicht von denen ausgewählter methanotropher Referenzstämme. Dennoch zeigten die MB Unterschiede hinsichtlich der Aufrechterhaltung ihrer Aktivität in Gegenwart von < 1000 ppmv Methan. Während die meisten methanotrophen Gammaproteobakterien nicht dazu in der Lage waren, ihre Aktivität bei < 1000 ppmv Methan aufrecht zu erhalten, waren mit Ausnahme von Methylocapsa acidiphila alle getesteten methanotrophen Alphaproteobakterien dazu in der Lage. Stämme der Gattung Methylocystis zeigten selbst bei Methan-Mischungsverhältnissen von 1.8 10 ppmv noch eine gleichbleibende Methan-Oxidationsaktivität über mehrere Wochen. Die unter atmosphärischen Bedingungen bestimmte Methan-Aufnahmerate von Methylocystis spp. war ausreichend hoch, um die Methan-Aufnahmeraten verschiedener upland soils mit 1,4 349 x 106 Zellen pro Gramm trockenen Boden zu erklären. Zusammenfassend lassen die hier präsentierten Ergebnisse den Schluss zu, dass sowohl kultivierte als auch verschiedene unkultivierte MB am Prozess der atmosphärischen Methanoxidation in upland soils beteiligt sein können. In Waldböden und Wiesen, in denen häufig hohe Methan-Aufnahmeraten bestimmt werden, sind die Organismen des USC a und USC g weit verbreitet und an der atmosphärischen Methan-Oxidation beteiligt. In landwirtschaftlich intensiv genutzten Böden, in denen MB bekannter Gattungen nachgewiesen wurden, nicht aber die unkultivierten MB des USC a und USC g, wurden vergleichsweise niedrige Methan-Aufnahmeraten bestimmt. Die für Methylocystis spp. bestimmten atmosphärischen Methan-Oxidationsraten sind ausreichend hoch, um die Raten in solchen Böden zu erklären.

Summary:
Methane (CH4), a major greenhouse gas, is present in the atmosphere at a mixing ratio of about 1.7 ppmv. Aerobic upland soils are a net sink for atmospheric methane. At the beginning of this work only little was known about the methanotrophic bacteria (MB) responsible for atmospheric methane oxidation, although they were thought to be oligotrophs adapted to the trace level of CH4 in the atmosphere. Cultivation-independent molecular ecology techniques were combined with studies on pure cultures of MB to investigate this. For the cultivation-independent studies 58 soils of different chemical properties, plant cover, and land use were sampled. By combining diverse molecular techniques, and by multivariate analysis of this large dataset, two groups of as-yet uncultivated MB were found to be primarily responsible for atmospheric CH4 uptake. MB were identified by retrieval and sequence analysis of the pmoA gene, and by analysis of the phospholipid fatty acids that were labelled with 13C after incubation of soils with 13CH4. In this way a group of MB (upland soil cluster g) only distantly related to cultivated Gammaproteobacteria, which was present and active in most pH-neutral soils, was identified for the first time. An as-yet uncultivated group of Alphaproteobacteria (upland soil cluster a) was detectable and active in most acidic soils. MB of the known genera Methylocaldum, Methylobacter, Methylosinus and Methylocystis were also present in upland soils and were successfully isolated. Growth studies using these known MB have provided insight into the process of atmospheric CH4 oxidation. Large differences were observed in the abilities of different MB to grow and remain active under low CH4 mixing ratios, although this was not related to substrate affinity as is usually postulated. It was evident from these growth studies that CH4 supply could control which MB are active in soils, and this was confirmed by cultivation-independent examination of a Gleysol after incubation under different mixing ratios of CH4. Some Methylocystis strains were the most oligotrophic of the cultivated MB. These oxidised atmospheric CH4 (1.7 ppmv) with little loss of activity for prolonged periods (>6 weeks). In addition to the two groups of uncultivated MB found in the soil studies, Methylocystis strains may therefore be active at consuming atmospheric methane in certain cases, for example in periodically flooded soils where population growth can be supported by occasional CH4 production.


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