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Titel: Methanogene Lebensgemeinschaften unter Stressbedingungen
Autor: Aschenbach, Katrin
Weitere Beteiligte: Conrad, Ralf (Dr.)
Erscheinungsjahr: 2016
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0045
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0045
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-00450
DDC: 570 Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Methanogenic communities enduring different stress conditions

Dokument

Schlagwörter:
Mikrobielle Gemeinschaft, Methyl-coenzyme M reductase, methanogen, Archaeen, microbial community, drying-rewetting

Zusammenfassung:
Methan spielt in anoxischen Habitaten eine wichtige Rolle als finales Endprodukt beim anaeroben Abbau von organischem Material. Ein Beispiel für anoxische Habitate sind geflutete Lebensräume, wie Reisfeldböden. In diesen Böden entsteht Methan durch die im Boden lebenden methanogenen Mikroorganismen und wird primär aus Acetat oder Kohlenstoffdioxid in Verbindung mit Wasserstoff gebildet. Die Anpassungen der Diversität und der Aktivität der methanogenen Gemeinschaft an verschiedene Wassergehalte im Boden, besonders nach einer Austrocknung, wurden bisher nicht ausreichend untersucht. Mit der vorliegenden Arbeit wurde deshalb der Einfluss von verschiedenen Wassergehalten bei zwei verschiedenen Reisfeldböden (philippinischer und italienischer Herkunft) mittels klassischer Analysen (GC; HPLC; GC-IRMS) sowie molekularbiologischen Methoden (qPCR, T-RFLP des archaeellen 16S-rRNA-Gen und Sequenzierung der mcrA-Transkripte) analysiert. Die Methanogenese korrelierte dabei positiv mit der Höhe des Wassergehalts. Für eine nachweisbare Methanproduktion wurde eine Wasserverfügbarkeit von mindestens 40 % der maximalen Wasserhaltefähigkeit des Bodens benötigt, während die Kohlenstoffdioxidemission bereits bei 17 % anstieg. Dies deutet darauf hin, dass die Freisetzung von Kohlenstoffdioxid aus verschiedenen Fermentationen bei sehr niedriger Bodenfeuchtigkeiten möglich ist und die Bildung von Methan höhere Bodenfeuchtigkeiten benötigt. Die Daten der stabilen Kohlenstoffisotopenfraktionierung weisen darauf hin, dass hydrogenotrophe Methanogenese bei allen Feuchtigkeitsstufen zu Beginn der Inkubationen dominierte, allerdings ist diese bei niedrigen Wasserverfügbarkeiten stark beeinträchtigt. Die initiale Methanproduktion wechselte bei einer geringeren Wiederbefeuchtung schneller von hydrogenotroph zu acetiklastisch als bei völlig gefluteten Inkubationsproben. Die Veränderung des Wassergehalts zeigte nur einen geringen Einfluss auf die Populationsdynamik der methanogenen Lebensgemeinschaft. Die Anpassung an die unterschiedlichen Feuchtigkeitsstufen erfolgte durch Aktivitätsänderungen bestimmter methanogenen Archaeen in der Gemeinschaft. Durch die Sequenzierung der mcrA-Transkripte konnten einzelne Familien der Methanogenen dargestellt werden. Hier zeigte sich, dass Methanosarcinaceae bei niedrigen Wasserverfügbarkeiten stärker aktiv waren als bei völliger Flutung des Bodens. Generell stieg die Anzahl der mcrA-Transkripte und somit die methanogene Aktivität bereits durch eine leichte Erhöhung des Feuchtigkeitsgehalts an. Im philippinischen Reisfeldboden verdoppelten sich die Kopienzahlen und im italienischen Reisfeldboden stiegen die mcrA-Transkripte um das 100-fache im Boden mit bereits niedrigen Wasserverfügbarkeiten an. In feuchteren Inkubationsproben wurden maximale mcrA-Transkriptmengen von 10^8 bis 10^9 pro Gramm Boden nachgewiesen. Die mcrA-Transkriptmengen im philippinischen Boden waren stets etwas niedriger als die im italienischen Reisfeldboden, obwohl die Methanproduktionsraten im philippinischen Boden etwa doppelt so hoch waren wie im italienischen Reisfeldboden. Grundsätzlich war die Diversität im Boden auf DNA-Ebene jedoch unempfindlich auf Austrocknung und Wiederbefeuchtung. Mit den Experimenten konnte somit gezeigt werden, dass der anaerobe Abbau von organischem Material in Reisfeldböden keine vollständige Flutung benötigt. Allerdings verändert sich die Aktivität der methanogenen Gemeinschaft unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen. In einer zweiten Versuchsreihe wurde der Einfluss von einem bewegten System (gerollt, geschüttelt oder magnetisch gerührt) im Vergleich zu einem statischen System auf die Methanproduktion analysiert. In den drei untersuchten Umweltsystemen (Faulschlamm, Flusssediment, Reisfeldboden) war der Unterschied in den bewegten Systemen wenig markant im Vergleich zum statischen System. In einigen Fällen war die Methanproduktion in den bewegten Systemen vermindert oder erreichte eine ähnliche Größenordnung wie im statischen System. Die Ergebnisse belegen, dass die Methanogenen wenig in ihrer Aktivität beeinflusst wurden und die gewählte Bewegungsintensität nicht ausreichte, um die syntrophe Beziehung der Methanogenen zu schädigen. Dennoch konnte im statischen System der Reisfeldbodeninkubationen die höchste Diversität beobachtet werden, was einen Effekt auf die Zusammensetzung der methanogenen Gemeinschaft im Reisfeldboden vermuten lässt. Die Ergebnisse waren dahin gehend sehr stark von den gewählten Umweltsystemen abhängig. Die unterschiedlichen Ergebnisse der Umweltsysteme sollten daher in ihrer positiven oder negativen Wirkung des mechanischen Stresses differenziert betrachtet werden.

Summary:
Methane plays an important role in anoxic habitats as a final product in the anaerobic decomposition of organic material. An example of anoxic habitats are flooded habitats, such as rice fields. In these soils, methane is produced by the methanogenic microorganisms and is formed primarily from acetate or carbon dioxide in combination with hydrogen. The adaptations of diversity and activity of the methanogenic community have not been sufficiently investigated under different water levels in the soil. Therefore, this study focused on the influence of different water levels on two different rice fields (Philippine and Italian origin) using classical analyzes (GC, HPLC, GC-IRMS) as well as molecular biological methods (qPCR, T-RFLP and Sequencing). Methanogenesis correlated positively with the water content. For a detectable methane production a water availability of at least 40% of the maximal water retention capacity of the soil was needed, while the carbon dioxide emission already increased by 17%. It is suggested that the release of carbon dioxide from different fermentations is possible at low soil moistures and the formation of methane requires higher soil moistures. The stable carbon isotope fractionation data indicated that hydrogenotrophic methanogenesis dominated at the beginning of the incubation for all the incubations with different moisture levels. The initial methane production changed faster from hydrogenotrophic to aceticlastic in the incubations with low soil moisture conditions than in completely flooded incubation. The change in water content showed only a small influence on the population dynamics of methanogenic community. Adaptation to the different moisture levels was achieved by a change in the activity of certain methanogenic archaea. High-throughput sequencing reveals that there were mcrA transcripts of different methanogenic families present. Methanosarcinaceae dominated in the transcriptional active methanogenic community under low water levels. In general, the number of mcrA transcripts and thus the methanogenic activity increased by a slight increase of the moisture content. The mcrA transcripts in the Philippine rice field doubled, and the mcrA transcripts in the Italian rice field increased by 100 times in the soil with a low moisture increase. Completely flooded incubation samples reached mcrA transcript levels from 10^8 to 10^9 per gram of dry soil. The mcrA transcript levels in the Philippine soil were always somewhat lower than those in the Italian rice field soil, although the methane production rates in the Philippine soil were about twice as high as in the Italian rice field soil. However, the diversity in the soil at the DNA level was insensitive to dehydration and rewetting. The experiments have thus shown that the anaerobic decomposition of organic material in rice field soils did not require complete flooding. However, the activity of the methanogenic community changed under different moisture levels. In a second series of experiments, the influence of a moving system (rolled, shaken or magnetically stirred) on methanogenesis was analyzed compared to a static control. In the three investigated environmental systems (digested sludge, river sediment, rice field soil) the difference of methane emission in the moving systems was not significant compared to the static control. In some cases, the methane production in the moving systems reduced or reached a similar order of magnitude as in the static control. The results show that the moving system had little influence on the methanogenic activity, and the chosen rate of motion was not sufficient to damage the syntrophic relationship of the methanogens. Nevertheless, the highest diversity was observed in the static control of the rice field soil incubations, suggesting the effect on the diversity composition of methanogenic community in the rice field soil. The results were deeply dependent on the chosen environmental systems. The effect of mechanical stress on the methanogenic community needed further investigation.


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