Investigation of microbial groups involved in the uptake of atmospheric trace gases in upland soils

Atmosphärischen Spurengasen kommt eine Führungsrolle in den derzeitigen klimatischen Veränderungen zu. Ein signifikanter Anteil am Austausch von atmosphärischen Spurengasen findet an der Schnittstelle zwischen Atmosphäre und „upland soils“ statt. Allerdings sind die für diese Dynamiken verantwortlichen Mikroorganismen nicht vollständig identifiziert und erforscht. Diese Arbeit befasst sich deshalb mit der Untersuchung mikrobieller Gruppen in terrestrischen Habitaten, die in die Aufnahme von atmosphärischen Spurengasen (CH4, CO2, H2) involviert sind, und zwar das potentiell atmosphärisches Methan oxidierende „upland soil cluster α“ (USCα), die autotrophen Ammonium-oxidierenden Archaeen (AOA) und die Wasserstoff-oxidierenden Streptomyzeten. Verschiedene Methoden wurden angewandt, um die Aufnahme von markiertem Substrat in diese mikrobiellen Gruppen zu untersuchen und die Expression ihrer funktionellen Marker-Gene zu analysieren. Dabei handelte es sich um pmoA für die hoch-affine membran-gebundene (partikuläre) Methan-Monooxygenase von USCα, amoA für die Ammonium-Monooxygenase der AOA und hydB für die hoch-affine [NiFe]-Hydrogenase von Streptomyces sp. PCB7. Trotz der Annahme, dass es sich bei dem “upland soil cluster α“ (USCα) in Waldböden um methanotrophe Bakterien handelt, die an atmosphärische Methan-konzentrationen angepasst sind und denen demnach eine grundlegende Rolle in der Aufnahme und Beseitigung dieses Treibhausgases aus der Atmosphäre zuteil wird, war noch ungeklärt, ob diese Mikroorganismen ihren gesamten Energie- und Kohlenstoffbedarf mit Methan decken können oder zusätzlich auf andere Kohlenstoffquellen angewiesen sind. Stabile Isotopenbeprobung wurde angewandt, um den Einbau von markiertem CH4 und Acetat in Nukleinsäuren von USCα zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studie weisen darauf hin, dass USCα atmosphärisches CH4 möglicherweise nur als zusätzliche Energiequelle oder Überlebensstrategie nutzt, und stattdessen andere Kohlenstoffverbindungen, z.B. Acetat, zum Wachstum verwendet. Somit repräsentiert USCα eher fakultative als obligate Methanotrophe. Die Anwendung von CARD-FISH, spezifisch für pmoA Transkripte, ermöglichte zudem die erste Visualisierung von USCα in situ. Diese Resultate erweitern unseren Wissensstand und das Verständnis in Bezug auf „upland soils“ als Senke für atmosphärisches Methan und die Mikroorganismen, die für diese Prozesse verantwortlich sind. Autotrophe Bakterien wurden lange Zeit alleinverantwortlich für die Ammonium-Oxidation gehalten. Doch inzwischen liegen zunehmend Studien vor, die auf eine zusätzliche Beteiligung von Archaea an diesem Prozess hinweisen. Allerdings war bis heute unbekannt, ob Ammonium-oxidierende Archaeen im Boden CO2 assimilieren können und zu welchem Grad sie funktionell aktiv sind. Stabile Isotopenbeprobung von Nukleinsäuren unter Verwendung von 13CO2 demonstrierte eine aktive Beteiligung der Ammonium-oxidierenden Archaeen an der mikrobiellen Ammonium-Oxidation in einem Feldboden, verbunden mit autotropher CO2-Fixierung, vermutlich über den Hydroxypropionat-Hydroxybutyrat-Zyklus. CARD-FISH zeigte weiterhin den hohen Anteil und damit die große Bedeutung der archaeellen Ammonium-Oxidierer in der gesamten archaeellen Gemeinschaft in dieser Umgebung. Diese Resultate liefern neue Belege für die substanzielle Beteilung der nitrifizierenden Archaea an der Ammonium-Oxidation und CO2-Fixierung in terrestrischen Habitaten. Obwohl Wasserstoff als einer der wichtigsten Energieträger der Zukunft gilt, ist der globale biochemische Zyklus dieses Spurengases noch größtenteils unerforscht. Nach neueren Forschungsergebnissen scheinen eher Mikroorganismen als „freie“ Enzyme für die Aufnahme von atmosphärischem H2 im Boden verantwortlich zu sein. Die CARD-FISH Analyse in dieser Arbeit belegte, dass die hoch-affine H2 Aufnahme-Aktivität nicht im Myzelium, sondern in den Sporen von Streptomyzeten exprimiert wird. Dies zeigt die essentielle Bedeutung von H2-oxidierenden Streptomyzeten, oder Aktinobakterien im Allgemeinen, für die Aufnahme von atmosphärischem H2 in „upland soils“.