Detailansicht

Substrate utilisation of sulfate-reducing microorganisms in a peatland

Bela Hausmann

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Alexander Loy

Volltext herunterladen
Volltext in Browser öffnen

DOI

10.25365/thesis.18527

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30038.10460.981959-4

Link zu u:search

(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Natürliche Feuchtgebiete sind die weltweit größte Quelle von atmosphärischem Methan (ein vierundzwanzig Mal stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid). Zusätzlich absorbieren und speichern sie enorme Mengen an Kohlendioxid. Das macht Feuchtgebiete, vor allem Moore, zu wichtigen Ökosystemen im globalen Kohlenstoffkreislauf und somit im globalen Klima. Biologische Produktion von Methan (Methanogenese) wird ausschließlich von methanogenen Archaeen durchgeführt. In Mooren ist die Aktivität von Methanogenen verbunden mit der Aktivität von Sulfat-reduzierenden Mikroorganismen (SRMs) und daher auch mit dem verfügbaren Sulfat. SRMs konkurrieren mit den methanogenen Archaeen direkt und indirekt um Elektronendonoren, was zu starkem Rückgang von Methan-Emissionen in Feuchtgebieten führen kann. Diese beiden Gruppen können aber auch mutualistische Beziehungen ausbilden. Die gemäßigten, sauren, mineralstoffreichen und Sulfat-armen Niedermoore Schlöppnerbrunnen I und II in Bayern (Deutschland) sind ein interessantes Ökosystem um SRMs zu studieren, den bisher wurden 53 unbekannte Arten (Ungefähre Artebene, basierend auf den funktionellen, phylogentischen Markergenen dsrAB) von SRMs gefunden. In einer vorherigen Studie wurde gezeigt, dass die Gattung Desulfosporosinus maßgeblich an der Desulfurikation in anoxischen Inkubationen mit Schlöppnerbrunnen-Bodenproben beteiligt war und zu der sogenannten aktiven „rare biosphere“ gehört. Es wurde bereits gezeigt, dass natürliche Mengen Sulfat in anoxischen Inkubationen mit einen Substrat-Gemisch (zugegeben in natürlichen Konzentrationen) umgesetzt wird. Diese vorliegende Studie zeigt Substratverbrauchsmuster mit jeweils nur einem Substrat. Sulfatumsatz geschah mit den Substraten Formiat, L-Lactat, Propionat und Butyrat, jedoch nicht mit Acetat. Insgesamt wurde eine sehr heterogene Reaktion der SRM-Gemeinschaft beobachtet, sowohl zwischen den verschiedenen Substraten, als auch zwischen den biologischen Replikaten. Im Vergleich zu den Kontrollen ohne Sulfatzugabe, waren Desulfurikationsraten höher in Inkubationen welche mit L-Lactat, Propionat oder Butyrat ergänzt wurden, jedoch nicht in Inkubationen welche mit Formiat oder Acetat ergänzt wurden (Desulfurikationsraten wurden in Kooperation mit der Universität Bayreuth, Deutschland, gemessen). Stoffwechselaktivität und Wachstum von Desulfosporosinus-Spezies wurde in den Inkubationen welchen Butyrat und Sulfat zugesetzt wurde beobachtet. Hierzu wurden 16S rRNA Transkript- und Gen-Kopien mit quantitativer Echtzeit-PCR bestimmt. Bei Vorhandensein von Butyrat und Sulfat wuchs die Desulfosporosinus-Population von 0.010 % auf 0.086 % (relatives Vorkommen, basierend auf 16S rRNA Genen) und das 16S rRNA Transkript-zu-Gen-Verhältnis stieg um das Vierfache innerhalb der beobachteten 30 Inkubationstage an. In der Kontrolle mit Butyrat- aber ohne Sulfatzugabe wurde geringeres Wachstum beobachtet (0.036 % Vorkommen), das 16S rRNA Transkript-zu-Gen-Verhältnis stieg zwar nach 9 Tagen genau so hoch an wie in der Inkubation mit Sulfat, sank danach aber um die Hälfte. Das weist darauf hin, dass sich entweder unterschiedliche Desulfosporosinus-Spezies in Schlöppnerbrunnen befinden, oder die gleiche Spezies ihren Stoffwechsel anpassen kann. Ausführliche Evaluationen und Optimierungen der Methodik zu Extraktion und Aufreinigung von Nukleinsäuren aus Schlöppnerbrunnen-Bodenproben wurden durchgeführt. Die Reinheit und Integrität der extrahierten DNA und RNA, sowie ihre Eignung für die Analyse mit reverser Transkription und quantitativer PCR, wurden getestet. Dabei hat es sich gezeigt, dass 5 ng von DNA und 1 ng von RNA die optimale Menge sind um mit dem entwickeltem Protokoll analysiert zu werden. Im Vergleich zu dem bereits vorhanden Protokoll konnte die RNA-Ausbeute um das Zehn- bis Zwanzigfache erhöht werden. Erste Schritte für die Kultivierung von (noch nicht bekannten) SRMs aus den Schlöppnerbrunnen Mooren wurden durchgeführt. Anreicherungen mit Sulfat und Formiat respektive L-Lactat werden weitergeführt.

Abstract

(Englisch)

Natural wetlands are our planet’s largest source of atmospheric methane, a greenhouse gas twenty-four times more effective in global warming than carbon dioxide. Wetlands also act as massive carbon sinks by absorbing and storing carbon dioxide. This balance of greenhouse gas fluxes makes wetlands, and especially peatlands, important environments in regard to the global climate. Biological production of methane (methanogenesis) is exclusively performed by methanogenic archaea. In peatlands, the activity of methanogens is strongly linked with the activity of sulfate-reducing microorganisms (SRMs), and therefore the availability of sulfate. SRMs compete directly and indirectly with methanogenic archaea over electron donors and can drastically reduce methane emissions from wetlands. Syntrophic relationships between these two groups were reported as well. The temperate, acidic, minerotrophic, low-sulfate Schlöppnerbrunnen fen system in Bavaria (Germany) is an interesting habitat for studying SRMs, since 53 novel dsrAB species-level operational taxonomic units were found in the last decade (dsrAB are functional phylogenetic marker-genes for SRMs). It was shown that in anoxic Schlöppnerbrunnen soil incubations a Desulfosporosinus population was responsible for a substantial part of the sulfate-reducing activity and that this genus was part of the active “rare biosphere”. It was previously shown that in anoxic incubations in situ amounts of sulfate are turned over when a mix of common substrates for SRMS is added (also at in situ concentrations). This study shows substrate utilisation profiles with single-substrate incubations. Sulfate was partly turned over in the presence of formate, L-lactate, propionate, or butyrate, but not acetate. The overall response of the sulfate-reducing community was very heterogeneous between different incubation conditions and biological replicates. Compared to controls without supplemented sulfate, increases in sulfate reduction rates were observed in L-lactate-, propionate-, or butyrate-, but not formate- or acetate-supplemented soil slurries (reduction rates were measured in cooperation with the University of Bayreuth, Germany). Metabolic activity and growth of Desulfosporosinus species in Schlöppnerbrunnen soil slurries amended with butyrate and with or without sulfate were monitored by quantifying 16S rRNA transcript and gene copies with (reverse transcription) quantitative real-time PCR. In the presence of sulfate, the Desulfosporosinus population grew from 0.010 % to 0.086 % relative 16S rRNA gene abundance and their 16S rRNA transcript to gene ratio increased by a factor of four over 30 days of incubation. In incubations without sulfate, less growth was observed (0.036 % abundance), but the 16S rRNA transcript to gene ratio increased to the same levels as with sulfate addition after 9 days, but then decreased again by half. This indicates the presence of different Desulfosporosinus populations or different metabolic responses by the same population. Extensive evaluation and optimisation of the nucleic acids extraction and purification methodology was done. Purity, integrity, and suitability of the extracted DNA and RNA for reverse transcription and quantitative PCR were tested and it was shown that 5 ng of DNA and 1 ng of RNA can be analysed with minimal bias with this new protocol pipeline. Total RNA yields could be increased ten- to twentyfold compared to the previously established method. First steps in the cultivation of (possibly novel) SRMs from the Schlöppnerbrunnen fen system were done. Single-substrate enrichments cultures with formate and L-lactate are being continued.

Autor*innen

Bela Hausmann

Haupttitel (Englisch)

Substrate utilisation of sulfate-reducing microorganisms in a peatland

Paralleltitel (Deutsch)

Substratverwertungsverhalten von sulfatreduzierenden Mikroorganismen in einem Moor

Publikationsjahr

2012

Umfangsangabe

122 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Alexander Loy

Klassifikationen

38 Geowissenschaften > 38.47 Moore ,

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,

42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie ,

42 Biologie > 42.97 Ökologie: Sonstiges

AC Nummer

AC10756005

Utheses ID

16600

Studienkennzahl

UA | 441 | | |

Detailansicht

Abstracts

Schlagwörter