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Titel: Response and resilience of methanotrophs to disturbances
Autor: Ho, Adrian Kah Wye
Weitere Beteiligte: Frenzel, Peter (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0047
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0047
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-00472
DDC: 570 Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Reaktion und Widerstandsfähigkeit methanotropher Bakterien gegenüber Störungen

Dokument

Schlagwörter:
Ecosystem functioning, pmoA, Paddy soil, Reisfeldboden, Methanotrophs, Biodiversity, Methanotrophe Bakterien, Methan, Biodiversität, pmoA

Summary:
Methanotrophic bacteria are the only known biological sink for the greenhouse gas methane. Therefore, methanotrophs play a key function in carbon cycling, an important biogeochemical process that affects global climate change. Yet, little is known of their vulnerability and resilience to disturbances. Driven by the gap of knowledge, this PhD thesis is a seminal study focusing on the recovery of methanotrophs from disturbances with respect to population dynamics, diversity and functioning. Two model disturbances were tested; disturbance-induced mortality and heat shock. While the former model disturbance represents a non-selective form of disturbance, the heat shock treatment may select for sub-populations of thermo-tolerant methanotrophs. Overall, methanotrophs are shown to be remarkably resilient to induced disturbances, compensating and even over-compensating for methane uptake during recovery. Type II methanotrophs, known to be present in high abundance as resting cells, appear to become more important during disturbances. Furthermore, the establishment and subsequent development of the methanotrophic community and activity were studied along a rice paddy chronosequence. With the influx of anthropogenic influences once a rice paddy is formed, the methanotrophic community structure is anticipated to undergo a dramatic change which in turn, may affect the activity. It appears that the young and ancient rice paddies do not show clear divergence, suggesting that the methane oxidizing community was soon established after a rice paddy is formed. However, the selection of the best adapted sub-population needs time. Accordingly, long term rice agriculture allows for higher methane uptake, and may select for a methanotroph sub-population that remains active. The predominant methanotrophs found in the Chinese rice paddies are type II, mainly Methylocystis species, and type Ib (RPC-1). However, type Ib seems to be the active dominant sub-population. This and previous studies suggest specific adaptation of type Ib to rice paddy environments. Interestingly, novel sequences phylogenetically grouped between pmoA and amoA were detected. Overall, paddy soil methanotrophs are not only able to recover from disturbances, but are apparently showing specific adaptation to rice paddy environments, demonstrating their resilience in face of perturbation.

Zusammenfassung:
Men stellen die einzig bekannte biologische Senke für das Treibhausgas Methan dar. Sie katalysieren somit eine Schlüsselfunktion im globalen Kohlenstoffkreislauf mit direktem Einfluss auf den weltweiten Klimawandel. Dennoch ist erst wenig über die Anfälligkeit bzw. Widerstandsfähigkeit dieser Bakteriengruppe gegenüber Umweltstörungen bekannt. In dieser Doktorarbeit wurden grundlegende Untersuchungen zur Regenerierung methanotropher Bakteriengemeinschaften nach Umweltstörungen durchgeführt. Als Modelstörgrößen wurden die durch äußere Einflüsse bedingte Sterblichkeit sowie die Hitzeschockbehandlung getestet. Die Regenerierung wurde anhand der methanotropher Gesamtdiversität, Populationsdynamiken und Methanoxidationsraten verfolgt. Hinsichtlich ihrer Funktion Methan zu oxidieren, zeigten sich die Bakteriengemeinschaften auffallend resistent gegenüber den indizierten Störungen: Die Methanoxidationsraten stiegen im Verlauf der Regenerierung sogar über die Ausgangsrate an. Die Diversität nahm jedoch drastisch ab und Typ II methanotrophe Bakterien dominierten bei Beendigung der Experimente. Die Ergebnisse zeigen, dass Typ II methanotrophe Bakterien, die eine mengenmäßig bedeutsame Rolle in Reisfeldern spielen, vor allem nach Störungen eine wichtige Funktion einnehmen. Im zweiten Teil dieser Doktorarbeit wurden die Besiedlung und die nachfolgende Entwicklung methanotropher Gemeinschaften und ihrer Aktivität anhand einer Chronosequenz chinesischer Reisfelder untersucht. Der Beginn der Reiskultivierung mit den einhergehenden anthropogenen Einflüssen könnte eine nachdrückliche Änderung der Bakteriengemeinschaft und ihrer Aktivität zur Folge haben. Die methanotrophen Gemeinschaften im jüngsten und ältesten Reisfeldboden unterschieden sich jedoch nicht bedeutsam voneinander, was darauf hindeutet, dass sich die spezifische Gemeinschaft in Reisfeldern vergleichsweise schnell etabliert. Die Selektion einer am besten abgepassten Subpopulation dauert womöglich dennoch etwas länger: Die Methanoxidationsraten in den einzelnen Reisfeldböden zeigten eine positive Korrelation zu dem entsprechenden Alter des Bodens. Vorwiegend detektiert wurden in allen Böden Typ II methanotrophe Bakterien, hauptsächlich der Gattung Methylocystis, und Typ Ib methanotrophe Bakterien des RPC-1 (Rice Paddy Cluster-1). Die Typ Ib scheinen jedoch die aktive Subpopulation zu stellen. Diese und vorhergehende Arbeiten deuten auf eine spezifische Anpassung von Typ Ib methanotrophen Bakterien an das Reisfeldhabitat hin. Interessanterweise wurden weiterhin neuartige pmoA Sequenzen gefunden, die phylogenetisch zwischen den methanotrophen und den Ammonium oxidierenden Bakterien gruppieren. Zusammenfassend lässt sich schlussfolgern, dass methanotrophe Bakterien bemerkenswert resistent gegenüber äußerer Störung sind. Im Reisfeldhabitat konnte weiterhin eine sehr spezifische Gemeinschaft detektiert werden, was ihre schnelle Anpassungsfähigkeit demonstriert.


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