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Monitoring bacterial community shifts in a non-carbonated bottled mineral water after induction of volatile, methylated sulfur and selenium compound formation

Claus Pelikan

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Alexander Loy

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29214.72621.375963-2

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Natürliches Mineralwasser entstammt geschützten Grundwasserquellen. In diesen kalten nährstoffarmen Ökosystemen ist der Großteil des bakteriellen Planktons tot, dormant oder ernsthaft ausgehungert. Wenn Grundwasser jedoch in Flaschen gefüllt und bei Raumtemperatur gelagert wird, vermehren sich die planktonischen Bakterien innerhalb von wenigen Tagen und erreichen Zellzahlen von bis zu 105 Zellen pro mL. In seltenen Fällen kann es zu unangenehmer Geruchsentwicklung in Mineralwasser kommen, die auf die bakterielle Produktion der volatilen organischen Schwefel/Selenium Verbindungen Dimethylsulfid, Dimethylselenid und deren Derivate Dimethyldisulfid, Dimethyltrisulfid und Dimethyldiselenid zurückgeführt wird. Ziel dieser Studie war es, ein besseres Verständnis über die Prozesse zu bekommen die zur Entstehung dieser volatilen organischen Schwefel/Selenium Verbindungen in natürlichem Mineralwasser führen und die dafür verantwortlichen Bakterien zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurde frisch abgefülltes Wasser mit verschiedenen organischen und anorganischen schwefel- und seleniumhaltigen Substraten und/oder anderen Substanzen inkubiert. In weiterer Folge wurde die Produktion von volatilen organischen Schwefel/Selenium Verbindungen in den Inkubationen gemessen, die Bakteriengemeinschaften mittels 16S rRNA Gen Amplikon-Pyrosequenzierung charakterisiert und das Zellwachstum in unbehandeltem Mineralwasser mittels Fluoreszenzmikroskopie bestimmt. Nach der Abfüllung und Lagerung bei Raumtemperatur, wurde Zellwachstum im Mineralwasser beobachtet und die entwickelte Bakteriengemeinschaft, dominiert von Betaproteobakterien, war in der Lage verschiedene Substrate in volatile organische Schwefel/Selenium Verbindungen umzuwandeln. Dadurch konnten Prozesse/Stoffwechselwege identifiziert werden die für die Entstehung von volatilen organischen Schwefel/Selenium Verbindungen verantwortlich sind, wie der Abbau von schwefel- und seleniumhaltigen Aminosäuren (z.B. L-Methionin und Seleno-L-Methionin) sowie die Methylierung von Selenit. Obwohl in einigen Inkubationen Veränderungen in der Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft induziert werden konnten, wurden keine Korrelationen zwischen dem Auftreten von volatilen organischen Schwefel/Selenium Verbindungen und der Anreicherung von bestimmten Bakterien gefunden. Daraus folgt, dass die unangenehmen Gerüche von den selben Bakterien produziert werden, die auch dann im Mineralwasser vorkommen, wenn keine Geruchsentwicklung erfolgt und dass (ii) die Entstehung von volatilen organischen Schwefel/Selenium Verbindungen auf Veränderungen der Stoffwechselaktivität, induziert durch die Verfügbarkeit von bestimmten Substraten, zurückgeführt werden kann und nicht auf Veränderungen in der Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft.

Abstract

(Englisch)

Bottled mineral water originates from protected groundwater sources, which are generally cold and nutrient-poor ecosystems where the majority of planktonic bacteria are dead, dormant or severely starved. The number of bacteria in non-carbonated mineral water increases rapidly, to 105 cells per ml, within a few days after bottling and storage at ambient temperature, but the identity and temporal community dynamics of the bottled water microbiota are largely unknown. In rare cases the microbiota tends to produce an unpleasant smell that is often related to the occurrence of volatile organic sulfur/selenium compounds such as dimethyl sulfide, dimethyl selenide and their derivates dimethyl disulfide, dimethyl trisulfide and dimethyl diselenide. Aim of this study was to gain a better understanding of the mechanisms involved in volatile sulfur/selenium compound formation and to identify responsible bacteria through parallel incubations of bottled water supplemented with different organic and inorganic sulfur- and selenium-containing compounds and/or other substrates. Formation of methylated sulfur/selenium compounds was followed by chemical analysis using GC-MS, bacterial communities were profiled by 16S rRNA gene amplicon pyrosequencing, and total cell counts were determined by fluorescence microscopy. Bacterial proliferation was observed a few days after bottling and the growing bacterial community, dominated by Betaproteobacteria, was able to produce volatile organic sulfur/selenium compounds in a variety of incubations. This revealed possible processes/pathways involved in methylated sulfur/selenium compound formation, including the degradation of sulfur- and selenium-containing amino acids (i.e. L-methionine and seleno-L-methionine) and the methylation of selenite. However, although the community composition of the water was influenced by some of the added compounds, no clear correlations were found between the production of volatile organic sulfur/selenium compounds and the enrichment of certain bacteria. This indicates that the potential to produce unpleasant smell is an inherent trait of the indigenous, oligotrophic microbiota growing in bottled water and (ii) volatile sulfur/selenium compound formation is due to shifts in metabolic activity, induced by the availability of certain substances, rather than to significant shifts in community composition.

Autor*innen

Claus Pelikan

Haupttitel (Englisch)

Monitoring bacterial community shifts in a non-carbonated bottled mineral water after induction of volatile, methylated sulfur and selenium compound formation

Paralleltitel (Deutsch)

Veränderung der Bakteriengemeinschaft in stillem, natürlichem Mineralwasser in Zusammenhang mit der Produktion von volatilen, organischen Schwefel und Selenium Verbindungen.

Publikationsjahr

2013

Umfangsangabe

86 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Alexander Loy

Klassifikation

42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie

AC Nummer

AC10916229

Utheses ID

25994

Studienkennzahl

UA | 066 | 833 | |

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