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Exploring the ecology and genomics of globally important nitrite-oxidizing bacteria
Sebastian Lücker
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Michael Wagner
DOI
10.25365/thesis.12537
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29074.29171.589553-7
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Im biogeochemischen Stickstoffkreislauf wird Ammonium zunächst über die aerobe Nitrifikation zu Nitrat oxidiert, gefolgt von der anaeroben Denitrifikation mit schrittweiser Reduktion zu gasförmigem Distickstoff. Der zweite Schritt der Nitrifikation, die Oxidation von Nitrit zu Nitrat, wird von hochspezialisierten Organismen katalysiert, den nitritoxidierenden Bakterien (NOB).
Während die am besten untersuchten Vertreter dieser funktionellen Gruppe der Gattung Nitrobacter angehören, stellen in den meisten Habitaten Organismen der Gattung Nitrospira die dominanten NOB dar. Trotz dieser ökologischen und technischen Bedeutung von Nitrospira ist nur wenig über ihre Ökophysiologie bekannt, da sie schlecht kultivierbar sind. Um diese Wissenslücke zu schließen, wurde die vollständige Genomsequenz von „Candidatus Nitrospira defluvii“ mittels eines metagenomischen Ansatzes rekonstruiert. Die Genomanalyse zeigte fundamentale Unterschiede zwischen Ca. N. defluvii und allen anderen bekannten NOB in den Genen der Nitritoxidation, Atmungskette und autotrophen Kohlenstofffixierung auf. Die Anwesenheit des reduktiven Tricarbonsäurezyklus für die CO2-Fixierung sowie das Fehlen typischer Sauerstoffstress-Resistenzmechanismen deuten auf eine Abstammung von mikroaerophilen oder anaeroben Vorfahren hin. Phylogenomische Analysen deckten ferner eine Verwandtschaft des Nitritoxidationssystems von Nitrospira mit denen anaerober ammoniumoxidierender Planctomyceten auf, die auf eine unerwartete evolutive Verbindung dieser zwei Schlüsselprozesse des Stickstoffkreislaufs hinweist.
Vor kurzem wurde ein neuer NOB, „Candidatus Nitrotoga arctica“, beschrieben und ein nah verwandter Organismus konnte aus Abwasser angereichert werden. Eine Untersuchung verschiedener Kläranlagenproben zeigte erstaunlicherweise, dass Nitrotoga-ähnliche Bakterien in ungefähr der Hälfte der Anlagen vorhanden sind und in einigen sogar den einzig bekannten NOB darstellen. Ihre Rolle als neue, bislang in diesen Systemen übersehene NOB wird zusätzlich durch eine statistisch signifikante Koaggregation mit ammoniakoxidierenden Bakterien bekräftigt.
Abstract
(Englisch)
Within the biogeochemical nitrogen cycle, ammonium is first oxidized to nitrate by aerobic nitrification, followed by anaerobic denitrification with stepwise reduction to gaseous dinitrogen. The second step of nitrification, the oxidation of nitrite to nitrate, is catalyzed by highly specialized organisms, the nitrite-oxidizing bacteria (NOB).
While the alphaproteobacterial Nitrobacter are the best studied representatives of this functional group, members of the genus Nitrospira are the dominant NOB in most habitats. Contrasting the ecological and technical importance of Nitrospira, knowledge about their ecophysiology is scarce due to their resistance to cultivation. To overcome this limitation, the complete genome sequence of “Candidatus Nitrospira defluvii” was reconstructed using a metagenomic approach. Genome analysis revealed fundamental differences of Ca. N. defluvii to other known NOB in the key enzymes for nitrification, respiration, and autotrophic carbon fixation. The presence of the reverse tricarboxylic acid cycle for CO2 fixation and the absence of classical oxygen defense mechanisms indicate a microaerophilic or anaerobic ancestor. Furthermore, phylogenomic analysis discovered a relationship of the Nitrospira nitrite-oxidation system to anaerobic ammonium-oxidizing Planctomycetes, reflecting an unexpected evolutionary link of two key processes of the nitrogen cycle.
Recently, the novel NOB “Candidatus Nitrotoga arctica” was described and a close relative enriched from wastewater. Surprisingly, screening of a range of wastewater treatment plants detected presence of Nitrotoga-like bacteria in approximately half of them, even representing the sole known NOB in some. A statistically significant co-aggregation with ammonia-oxidizing bacteria lends further support to the proposed function as novel, previously overlooked NOB in these systems.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
environmental genomics nitrification Nitrospirae Nitrotoga nitrite-oxidizing bacteria activated sludge wastewater treatment
Schlagwörter
(Deutsch)
Umweltgenomik Nitrifikation Nitrospirae Nitrotoga nitritoxidierende Bakterien Klärschlamm Abwasserreinigung
Autor*innen
Sebastian Lücker
Haupttitel (Englisch)
Exploring the ecology and genomics of globally important nitrite-oxidizing bacteria
Paralleltitel (Deutsch)
Untersuchungen zur Ökologie und Genomik global bedeutsamer nitritoxidierender Bakterien
Publikationsjahr
2010
Umfangsangabe
142 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Andreas Schramm ,
Martin Klotz
Klassifikation
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie
AC Nummer
AC08447806
Utheses ID
11304
Studienkennzahl
UA | 091 | 444 | |