Identifizierung aktiver mikrobieller Populationen mit Hilfe stabiler Isotope

Prokaryoten spielen eine entscheidende Rolle am anaeroben Abbau und der Remineralisierung von sedimentiertem organischem Material in den anoxischen Sedimentschichten des Profundals von Süßwasserseen. Am Beispiel des Profundalsediments des See Genezareth wurde hier erstmalig durch die Kombination bio...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Schwarz, Julia Ingeborg Klara
Beteiligte: Conrad, Ralf (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2006
Biologie
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Prokaryoten spielen eine entscheidende Rolle am anaeroben Abbau und der Remineralisierung von sedimentiertem organischem Material in den anoxischen Sedimentschichten des Profundals von Süßwasserseen. Am Beispiel des Profundalsediments des See Genezareth wurde hier erstmalig durch die Kombination biogeochemischer und molekularbiologischer Methoden sowie den Einsatz 13C-markierter Substrate untersucht, welche Mikroorganismen am anaeroben Abbau von Algenbiomasse und Acetat beteiligt sind. Zunächst erfolgte die Charakterisierung der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft zu drei verschiedenen Probenahmezeitpunkten. Hierbei war die mikrobielle Gemeinschaft bezüglich ihrer Abundanz und Zusammensetzung sehr stabil. Die Abundanz der Bacteria und Archaea im Sediment wurde mittels quantitativer „real-time“-PCR anhand der Anzahl von 16S rRNA-Gen-Kopien bestimmt. Die prokaryotische Gemeinschaft wurde in hohem Maße von Bacteria dominiert. Die Zusammensetzung der bakteriellen und archaeellen Gemeinschaft wurde durch die molekulare Fingerabdruckmethode terminaler Restriktionsfragment-Längen-Polymorphismus kombiniert mit vergleichender Sequenzanalyse untersucht. Die bakterielle Gemeinschaft wies eine hohe phylogenetische Diversität auf, die viele bislang unkultivierte Arten umfasste. Sie wurde von Mitgliedern der Deltaproteobacteria und des Bacteroidetes-Phylums dominiert. Im Gegensatz zu den Bacteria waren die Archaea phylogenetisch weniger divers und wurden von hydrogenotrophen Methanomicrobiales und acetoklastischen Methanosaeta spp. dominiert. Bisher war nicht bekannt, wie die mikrobielle Gemeinschaft im Sediment eines Süßwassersees auf sedimentierendes organisches Material reagiert. Im See Genezareth erfolgt der größte Eintrag von organischem Material nach der alljährlichen Blüte der Alge Peridinium gatunense. Dieses Sedimentationsereignis wurde durch die Zugabe von P. gatunense-Zellen (nicht-markiert und 13C-markiert) zu anaerob inkubierten Sedimentaufschlämmungen simuliert. Während des anaeroben Abbaus der Algenbiomasse entstanden als zentrale Zwischenprodukte Acetat, Propionat und Wasserstoff. Der unmittelbare Anstieg der Acetat-, Propionat-, Wasserstoff-, Kohlendioxid- und Methankonzentrationen mit dem Start der Inkubation ließ eine schnelle Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft auf den Eintrag der Algenbiomasse erkennen. Diese Reaktion korrelierte mit zeitlichen Veränderungen in der Zusammensetzung ribosomaler RNA (16S rRNA) der aktiven bakteriellen und archaeellen Populationen. Nach eintägiger Inkubation wurden die aktiven Bacteria von den Deltaproteobacteria dominiert. Des Weiteren wurden Organismen aus dem Cluster I der Clostridia gefunden, das sowohl saccharolytische und proteolytische als auch fermentierende Bakterien umfasst. Nach sechs Tagen Inkubation wurden die aktiven bakteriellen Populationen durch ein verstärktes Auftreten biopolymerabbauender Mitglieder des Bacteroidetes-Phylums charakterisiert. Die Analyse der Sedimentaufschlämmungen mit 13C-markierter Algenbiomasse durch 16S rRNA-basiertes Stable-Isotope-Probing (RNA-SIP) deutete ebenfalls auf eine gesteigerte Aktivität Bacteroidetes-verwandter Bakterien zu diesem Zeitpunkt der Inkubation hin. Die Zugabe der 13C-Algenbiomasse führte auch zu einer geringfügigen 13C-Anreicherung archaeeller 16S rRNA. Außerdem ließen die Abnahme der Acetatkonzentration, eine erhöhte Methanproduktionsrate und die Zunahme der relativen Abundanz von Methanosaeta spp. auf eine Aktivierung acetoklastischer Methanogener schließen. Um Einblicke in die Umsetzung von Acetat, dem bedeutendsten Zwischenprodukt im anaeroben Abbau der Algenbiomasse, zu gewinnen, wurde der respiratorische Index (RI) für die Umsetzung von [2-14C]-Acetat bestimmt. Der RI zeigte, dass mehr als 80% des Acetats durch acetoklastische Spaltung zu Methan umgesetzt und nur ein geringerer Anteil zu Kohlendioxid oxidiert worden war. Zur Identifizierung der aktiv an diesen Prozessen beteiligten Mikroorganismen wurden Sedimentaufschlämmungen mit [U-13C]-Acetat inkubiert (RNA-SIP). Die Analyse der 13C-markierten 16S rRNA zeigte, dass es zu einer starken Aktivierung archaeeller Populationen kam und Methanosaeta spp. für die acetoklastische Spaltung des Acetats verantwortlich waren. Obwohl nur ein geringer Anteil der Bacteria die 13C-Markierung in ihre RNA inkorporiert hatte, ermöglichte RNA-SIP die Identifizierung dieser Bakterien. Die aktivsten wurden der Thermodesulfovibrio-„Magnetobacterium“-Gruppe innerhalb des Nitrospira-Phylums zugeordnet. Weitere waren mit den Nitrosomonadales, den Burkholderiales und den Rhodocyclales innerhalb der Betaproteobacteria verwandt. Insgesamt vertiefte diese Arbeit das Verständnis der Funktion mikrobieller Gemeinschaften in diesem Habitat. Neben der Charakterisierung der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft eines Süßwasserseesediments konnten in dieser Arbeit Bacteria und Archaea identifiziert werden, die aktiv am anaeroben Abbau von Algenbiomasse und Acetat beteiligt waren.