Transformation of nitrogenous soil components by humivorous beetle larvae

Die Käfer der Gattung Pachnoda aus der Familie der Scarabaeiden sind auf dem afrikanischen Kontinent ansässig. Die Larven dieser Insekten leben bevorzugt in huminstoffreichen Böden und ernähren sich von Pflanzenbestandteilen und organischer Bodensubstanz. Jedoch ist bisher noch nicht bekannt, welche Bestandteile des Bodens als Kohlenstoff- und Energiequelle genutzt werden. Frühere Studien wiesen darauf hin, dass Peptide, stabilisiert in Modellsubstanzen für Huminsäuren, während der Darmpassage frei und mineralisiert werden. Die vorliegende Arbeit untersucht das Ausmaß der Transformation und Mineralisierung der Peptidverbindungen des Futterbodens. Weiterhin, wurde die Rolle von Peptiden in Bezug auf die Ernährung der Larve eingeschätzt. Während der Hauptteil der proteolytischen Aktivität im Mitteldarm lokalisiert wurde, konnte auch im Enddarm geringe proteolytische Aktivität gefunden werden. Erstere Aktivitäten gehen höchstwahrscheinlich auf vom Insekt selbst sekretierte Proteinasen zurück, während letztere mikrobieller Herkunft sind. Als Folge der hohen proteolytischen Aktivität im Mitteldarm akkumulierten dort hohe Aminosäurekonzentrationen. Relativ niedrige Umsetzungsraten der Aminosäuren weisen darauf hin, dass die Fermentation von Aminosäuren der geschwindigkeits-bestimmende Schritt im Mitteldarm ist. Die hohe Ammoniumkonzentration im Enddarm ist begleitet von einer hohen Aminosäureumsatzrate. Durch Zugabe von Aminosäuren konnte die Fermentationsaktivität noch gesteigert werden, was darauf hindeutet, dass die Zufuhr von freien Aminosäuren durch Proteolyse den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt in diesem Prozess darstellt. Daher ist der Enddarm der Hauptort der Aminosäurefermentation. Zudem wurde indirekt über die Detektion von Nitrit und Nitrat Nitrifikation nachgewiesen. In hohen Stufen von MPN-Verdünnungsreihen wurde Nitrit denitrifiziert. Der messbare Verlust von Stickstoff aus dem Futterboden während der Darmpassage deutet ebenfalls auf Denitrifikation von Nitrat und Nitrat zu N2 hin. Mit Hilfe von stabiler Isotopenbeprobung wurde für einige Lebensräume und verschiedene Substrate die Funktion einzelner mikrobieller Populationen beleuchtet. In früheren Experimenten zur Charakterisierung der Funktion der Insektendarmmikrobiota traten jedoch Schwierigkeiten im Zusammenhang mit dieser Methode auf. In stabilen Isotopenbeprobungsexperimenten mit ganzen Därmen der holzfressenden Termite Reticulitermes santonensis und dem Enddarm der humusfressenden Käferlarve von Pachnoda ephippiata mit H13CO3– oder 13C-Glucose wurde bestätigt, dass kein Isotopeneffekt in der RNA messbar war. Auch in Inkubationen mit 14C-markierten Substraten, im Allgemeinen ein empfindlicher Tracer, konnte nur geringer Einbau von Kohlenstoff aus dem verwendeten Substrat gemessen werden. Wir schlagen mehrere Erklärungen vor, warum stabile Isotopenbeprobung in Insektendärmen nicht durchführbar ist. Da im Enddarm der Larve von Pachnoda marginata hohen Konzentrationen an Nukleotiden akkumulieren, stellen wir die Hypothese auf, dass sogenannte „Salvage Pathways“, bekannt für eine Reihe von Mikroorganismen als Alternative zur Nukleotidbiosynthese genutzt werden. Dadurch wird die Neubildung von Nukleotiden aus Susbtratkohlenstoff verringert. Diese Hypothese wird unterstützt durch die erhebliche Hemmung des Einbaus von Substratkohlenstoff in RNA während Inkubationen von Bacillus subtilis und Pseudomonas putida in Anwesenheit von Ribonukleotiden. Im Lebensraum des Insektendarms sind wir an die Grenzen der sonst sehr komfortablen und erfolgreichen Anwendung der stabilen Isotopenbeprobung für die oben genannten Substrate gestoßen. Die allopatrischen Scarabaeidenlarven Pachnoda ephippiata und Pachnoda marginata sind eng verwandt und ernähren sich beide von organischer Bodensubstanz. In der vorliegenden Arbeit wurde die Frage beantwortet, ob die mikrobielle Gemeinschaft im Darm ähnlich ist aufgrund der ähnlichen Nahrungsquelle oder ob Unterschiede bestehen aufgrund der räumlichen Trennung des Vorkommens. Die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft des Mitteldarms und Endarms wurde mit Hilfe von terminaler Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus-Analyse untersucht, die eine PCR-basierte kultivierungsunabhängige Methode darstellt. In beiden Larven war die bakterielle Gemeinschaft im Mitteldarm weniger vielfältig als im Endarm. Die T-RFLP-Profile des Mitteldarms der beiden Arten hatten nur wenige terminale Restriktionsfragmente gemeinsam. Im Gegensatz dazu wiesen die Profile der Bakteriengemeinschaft im Enddarm viele Ähnlichkeiten auf, obwohl sich die relativen Abundanzen der einzelnen Restriktionsfragmente innerhalb der beiden Arten unterschieden. Jedoch konnten mit Hilfe einer eine Korrespondenzanalyse der T-RFLP-Datensätze signifikante, artspezifische Unterschiede in den Bakteriengemeinschaften für Mitteldarm und Enddarm nachgewiesen werden.