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The impact of differential temperatures (30°C versus 45°C) on the methanogenic community in Philippine rice field soil
Methanogenese ist eine der bedeutendsten biogenen Quellen für atmosphärisches Methan (CH4). Dieses ist nach Kohlendioxid das zweitwichtigste Treibhausgas. Insbesondere geflutete Reisfelder sind mit einem Beitrag von circa 25% zur jährlichen Methanemission in die Erdatmosphäre eine kritische anthropo...
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| 1. Verfasser: | |
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| Beteiligte: | |
| Format: | Dissertation |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Philipps-Universität Marburg
2023
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| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | PDF-Volltext |
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| Zusammenfassung: | Methanogenese ist eine der bedeutendsten biogenen Quellen für atmosphärisches Methan (CH4). Dieses ist nach Kohlendioxid das zweitwichtigste Treibhausgas. Insbesondere geflutete Reisfelder sind mit einem Beitrag von circa 25% zur jährlichen Methanemission in die Erdatmosphäre eine kritische anthropogene Quelle für Methan. Die methanogene Zersetzung organischen Materials zu Methan und Kohlendioxid in anoxischen Umwelten trägt erheblich zum globalen Stoffumsatz und Energiefluß bei. Die anaerobe Nahrungskette beinhaltet die Aktivität von Mitgliedern der Bacteria und Archaea, welche in unterschiedlichen funktionellen Gilden strukturiert sind. Jedoch fehlen für philippinischen Reisfeldboden bisher detaillierte Untersuchungen zur Aktivität und Dynamik der an der anaeroben Nahrungskette beteiligten Mikroorganismen. Ferner ist zu erwähnen, dass die mikrobiellen Umsetzungen innerhalb der anaeroben Nahrungskette temperaturabhängig sind. Der im Rahmen des Klimawandels prognostizierte Anstieg der Temperatur an der Erdoberfläche könnte daher einen erheblichen Effekt allgemein auf mikrobielle Aktivitäten haben, aber insbesondere auch auf die methanogenen Prozesse im gefluteten Reisfeldboden. Allerdings liegen bisher nur begrenzt Kenntnisse vor, wie sich eine Temperaturerhöhung im Reisfeldboden auf die Dynamiken der an der anaeroben Nahrungskette beteiligten Mikroorganismen auswirken würde.
In dieser Studie wurden Aufschlämmungen anoxischen Reisfeldbodens, denen Reisstroh zugesetzt wurde, als Modellsystem genutzt. Verschiedene methodische Ansätze wurden kombiniert, um Struktur, Funktion und Dynamik der methanogenen Lebensgemeinschaft im philippinischen Reisfeldboden während einer Langzeitinkubation (120 Tage) vergleichend under mesophilen (30°C) und moderat thermophilen (45°C) Bedingungen aufzuklären. Dazu gehörten die Messung freigesetzter Fermentationsprodukte (Acetat, Propionat, Butyrat) und der Methanbildung, quantitative PCR von Markergenen und deren Transkripte (16S rRNA, mcrA) sowie die Analyse des Metatranskriptoms und Metagenoms. Insbesondere sollten die folgenden Fragen beantwortet werden: (i) Welche Mikroorganismen tragen auf den verschiedenen trophischen Ebenen der anaeroben Nahrungskette zur Zersetzung organischen Materials bei? (ii) Welche methanogenen Stoffwechselwege dominieren und von welchen Gruppen an Methanogenen werden diese während der 120 Tage langen Inkubation exprimiert? (iii) Welchen Effekt hat eine Temperaturerhöhung von 30°C auf 45°C auf die Struktur, Funktion und Dynamik der methanogenen Lebensgemeinschaft?
Sowohl die quantitatien Analysen via qPCR und RT-qPCR als auch Metatranskriptomics
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ergaben, dass die Langzeitinkubation unter mesophilen (30°C) Bedingungen in zwei methanogene Aktivitätsphasen zu unterteilen ist. Diese sind durch eine frühe (7 – 21 Tage) und späte (28 - 60 Tage) Phase definiert, wobei die beiden Aktivitätsperioden durch eine signifikante Abnahme der quantifizierbaren Kopienzahl an Markergenen (qPCR) und deren Transkripte (RT-qPCR) zeitlich voneinander getrennt sind. Mitglieder der Geobacteraceae waren während der gesamten Inkubation die vorherrschende bakterielle Population. Die frühe und späte Aktivitätsphasen korrespondierten in den Metatranskriptom-Analysen zu den höchsten mRNA-Abundanzen der Methanosarcinaceae, unterschieden sich aber in den von Methanosarcina spp. exprimierten methanogenen Stoffwechselwegen. Während in der frühen Aktivitätsphase drei phylogenetisch unterscheidbare Methanosarcina-Populationen zur acetoklastischen Methanogenese beitrugen, war in der späten Aktivitätsphase nur eine einzige phylogenetisch definierte Methanosarcina-Population aktiv. Diese exprimierte neben acetoklastischer vor allem auch methylotrophe Methanogenese. Eine basierend auf der metatranskriptomischen mRNA durchgeführte Transkript-Analyse von metagenom-assemblierten Genomen (MAGs) zeigte, dass die besonders in der späten Aktivitätsphase vorherrschende und aktive Methanosarcina-Population eng mit dem Stamm MSH10X1 verwandt ist. Die Expression der hydrogenotrophen Methanogenese konnte Mitgliedern der Familie Methanocellaceae zugeordnet werden, während acetoklastische Aktivität von Mitgliedern der Methanotrichaceae erst ab dem 60. Tag der Langzeitinkubation nachweisbar war.
Die Inkubation unter moderat thermophilen (45°C) Bedingungen hatte erhebliche Effekte auf die Struktur, Funktion und Dynamik der in die anaerobe Nahrungskette involvierte methanogene Lebensgemeinschaft. Insbesondere gilt dies im Vergleich zu den mesophilen (30°C) Bedingungen für die an der Polymer-Hydrolyse, der syntrophen Oxidation von Intermediaten (Propionat, Acetat) und der Expression methanogener Stoffwechselwege beteiligten mikrobiellen Populationen. Mitglieder der Familie Heliobacteriaceae repräsentierten während der gesamten Inkubation die vorherrschende bakterielle Population. Geobacteraceae waren hingegen nicht mehr nachweisbar. Im Vergleich zu den mesophilen Bedingungen zeigten Gene, welche für kohlenhydrataktive Enzyme (CAZymes) kodieren, eine über die Inkubationszeit wesentlich differenziertere transkriptionelle Aktivität. Gene involviert in die Hydrolye von Xylan und Chitin wurden um den 14. Tag stark exprimiert, während für solche involviert in die Hydrolyse von Cellulose und Hemicellulose am 35. und 60. Tag die höchsten Transkriptmengen nachweisbar waren. Acetoklastische und methylotrophe Methanogenese wurde durch Mitglieder der Methanosarcinaceae experimiert, während
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Mitglieder der Methanocellaceae für die hydrogenotrophe Methanogenese verantwortlich waren. Die weitere Analyse wies fünf phylogenetisch differenzierbare Methanosarcina Populationen nach. Eine basierend auf der metatranskriptomischen mRNA durchgeführte Transkript-Analyse von metagenom-assemblierten Genomen (MAGs) zeigte, dass in der frühen Aktivitätsphase jedoch nur zwei Methanosarcina-Populationen primär für die Expression der acetoklastischen und methylotrophen Methanogenese verantwortlich waren. Diese wiesen eine enge Verwandtschaft zu Methanosarcina flavescens - Methanosarcina thermophila TM beziehungsweise zu Methanosarcina barkeri 3 auf. Die späte Aktivitätsphase war ausschließlich durch methylotrophe Methanogenese und der mit Methanosarcina barkeri 3 eng assoziierten Population charakterisiert. Die Expression der hydrogenotrophen Methanogenese wurde, wie unter mesophilen Bedingungen, Mitgliedern der Methanocellaceae zugeordnet, während eine Aktivität von Mitgliedern der Methanotrichaceae unter moderat thermophilen Bedingungen nicht nachweisbar war.
Abschließend sei hervorgehoben, dass der Nachweis methylotropher Methanogenese im gefluteten Reisfeldboden, zusätzlich zur acetoklastischen und hydrogenotrophen Methanogenese, sowohl unter mesophilen (30°C) als auch moderat thermophilen (45°C) Bedingungen ein unerwartetes Ergebnis ist. Die Temperaturerhöhung von 30°C auf 45°C hatte erheblichen Effekte auf die anaerobe Nahrungskette und der daran beteiligten methanogenen Lebensgemeinschaft. Ganz offensichtlich ist die Antwort dieser Lebensgemeinschaft auf sich verändernde Umweltbedingungen komplexer als zuvor angenommen. |
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| DOI: | 10.17192/z2023.0229 |