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Enlightening the sulfate-reducing microbiota in an acidic fen ecosystem
dynamics of specific microbial groups in anoxic incubations with individual carbon degradation intermediates and enrichment of a novel, rare Desulfosporosinus species
Martin Huemer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Ökologie
Betreuer*in
Alexander Loy
DOI
10.25365/thesis.35247
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16425.04371.307175-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Feuchtgebiete als Ökosysteme nehmen eine Schlüsselposition in der Regulierung des globalen Klimas ein und stellen essentielle Speicher von rekalzitrantem Kohlestoff dar. Es wird davon ausgegangen, dass sie zwischen 10 und 20 % zur totalen globalen Methanemission beitragen. Mikroorganismen sind Schlüsselentitäten im Abbau von organischem Material in diesem System und ihre Interaktion mit den vorherrschenden biogeochemischen Regime determiniert das Schicksal der enthaltenen Kohlenstoffverbindungen. Im Laufe des letzten Jahrzehntes wurden vermehrt Indizien für die direkte Einbindung von Sulfat reduzierenden Mikroorganismen (SRM), als katalytische Einheiten in anoxischen Abbauprozessen in Feuchtgbieten gefunden.
Durch die Informationenaus 16S rRNA und dissimillatorischer (Bi)Sulfit Reductase (dsrAB) Gensequenz Unterschieden wurde es möglich, die nicht kultivierbare Fraktion von SRM in einem saurem Flachmoor – Torfland System (Schlöppnerbrunnen, Bayern, Deutschland) molekularbiologisch zu untersuchen. Dadurch konnte eine, bis - dato unbekannte Biodiversität dieser funktionellen Gilde in situ aufgezeigt werden.
53 dsrAB Spezies level “operational taxonomic units” (OTUs) wurden postuliert, von denen OTU1 und 2 zwischen ein bis zwei Prozent der totalen bakteriellen und archaeellen Abundanz darstellen. Diese OTUs könnten, ob ihrer hohen Abundanz, eine Schlüsselrolle im anoxischen Abbau von Kohlenstoff in diesem Torfland-Ökosystem einnehmen. Eine definitive physiologische Klassifizierung konnte bislang jedoch nicht erreicht werden.
Die Applikation von “stable isotope DNA probing” in einer vorangegangenen Studie konnte nur ein wenig abundantes (0.006 % der totalen mikrobiellen Gemeinschaft) “rare biosphere” Bakterium, welches dem Genus Desulfosporosinus zugehörig ist, als aktiven Sulfat Veratmer in anoxischen Boden – Schlamm Inkubationen vom Schlöppnerbrunnen Standort identifizieren. Aufgrund der extrapolierten hohen zellspezifischen Sulfatreduktionsrate von 341 fmol pro Zelle pro Tag, könnte diese neue Desulfosporosinus Spezies eine Schlüsselposition im Nahrungsnetz von Feuchtgebieten einnehmen.
Die hier vorgestellte Arbeit beschreibt die Analyse der Anwort (in Dimensionen von relativen Gen Abundanzen) von drei dsrAB OTUs (1, 2 und 6) auf anoxische Bedingungen in Boden – Schlamm Inkubationen von Schlöppnerbrunnen II Boden in einer faktoriellen Variation von Kohlenstoffquellen und Sulfatzugaben über einen Zeitraum von 51 Tagen mittels qPCR Quantifizierung der jeweiligen Gene. Zusätzlich wurde die Häufigkeit von drei taxonomischen Subeinheiten der Acidobakterien (1, 2 und 3), welche die häufigste bakterielle Gruppe der autochthonen mikrobiellen Gemeinschaft des Flachmoors darstellt, im identischen Inkubationssetup untersucht.
Weiters, wird eine eine gezielte Anreicherungsstrategie für die neue Desulfosporosinus Spezies, basierend auf kultivierungsabhängigen Techniken in Verbindung mit einem spezifischen Screening Verfahren mittels 16S rRNA gene Fluoreszenz In Situ Hybridisierung und einer eingeschränkten metabolischen Charakterisierung anhand von Kapillarelektrophorese beschrieben.
OTUs 1, 2 und 6 zeigten keine eindeutige positive Antwort auf die auferlegten Substrat – Sulfate Regime. Im Gegensatz zu OTU1 und 6, welche eine konsistente Verminderung der Abundanz für den Inkubationszeitraum aufwiesen, konnte OTU 2 seine anfängliche Populationsdichte in manchen Szenarios aufrechterhalten, beziehungsweise gegen Ende der Inkubation sogar erhöhen. Ein offensichichtlicher Unterschied zwischen Sulfatinkubationen und jenen ohne Sulfat konnte nicht beobachtet werden. Die Analyse der acidobakteriellen Populationsdynamik konnte vorherige Indizien einer dominaten Acidobakterien Fraktion in diesen Ökosystem untermauern und suggeriert deren hohe Toleranz für anhaltende anoxische Bedingungen im Torfboden.
Durch eine Reihe verschiedener Kultivierungsstrategien war es möglich, Desulfosporosinus Zellen in definierten Medien mit Butyrat oder Laktat als Kohlenstoffquelle und Sulfat als alleinigen Elektronenakzeptor anzureichern. Zwei neue Kandidaten-Isolate konnten dadurch erhalten werden, welche basierend auf 16S rRNA DNA Sequenzunterschieden zu den bislang gültig beschrieben Desulfosporosinus Vertretern, neue Arten innerhalb dieser Gattung darstellen könnten. Beide Isolate zeigten Muster einer unvollständigen Oxidation von Laktat mittels Sulfat und wurden vermutlich während den Anreicherungen aufgrund einer getrennten Zugabe von Natrium - beziehungsweise Eisensulfat selektiert. Für diese neuen Isolate wird ein K–Typ des Wachstums, basierend auf Substratverwendungsmustern und der beobachteten Pleomorphie postuliert.
Abstract
(Englisch)
Wetland ecosystems can act as important vectors directing global climate via sequestration of recalcitrant carbon. On the opposite many of these environments have been demonstrated to emit substantial quantities (10 to 20 % of the total global emission) of the greenhouse gas methane. Microorganisms are major components catalyzing the degradation of organic matter in wetland ecosystems. In the past decade, evidence accumulated that dissimilatory sulfate reducing microorganisms (SRM) constitute an important functional building block in anoxic freshwater ecosystems
Assessments of SRM in the acidic fen peatland Schlöppnerbrunnen (Bavaria, Germany), by employing 16S rRNA and dissimilatory (bi)sulfite reductase (dsrAB) gene sequence information, suggested for a yet undiscovered diversity of this guild in situ.
In particular, 53 dsrAB species level operational taxonomic units (OTUs) had been proposed with OTU1 and 2 accounting for 1 to 2 % of the total bacterial abundance in the system. These core taxa potentially exert an influential function on the anoxic degradation of carbon in the peatland, however their physiological profile is not known so far. Using stable isotope DNA probing a previous study proposed only a low abundance (0.006 % of the total microbial community) rare biosphere Bacterium associated with the genus Desulfosporosinusto to actively respire sulfate in anoxic soil slurry incubations of Schlöppnerbrunnen soil at rates of 341 fmol per cell per day. As a consequence, this novel Desulfosporosinus species could be a key player in the trophic chain of wetlands.
This work describes the assessment of the response in gene abundance of three dsrAB OTUs (1, 2 and 6) to anoxic conditions in soil slurry incubations from Schlöppnerbrunnen II soil in a factorial variation of carbon source and sulfate amendments for a time period of 51 days via qPCRquantification of the respective genes. In addition the change in abundance of acidobacterial subdivisions 1, 2 and 3, which constitute also a dominant fraction of the autochthonous fen microbial community was investigated in these incubations.
Second, a targeted enrichment strategy for the novel Desulfosporosinus species, using culture dependent techniques in combination with a specific screening assay, based on 16S rRNA gene fluorescence in situ hybridization (FISH) and a constrained metabolic profiling based on capillary electrophoresis is described.
OTUs 1, 2 and 6 exhibited no clear positive response to any of the substrate variations. While OTU1 and 6 showed a decrease in abundance for the incubation time,
OTU 2 could maintain its population density and in some cases exhibited an increase in abundance towards the end of the incubation. No clear distinction between sulfate amended and non-amended microcosms could be drawn, although a trend towards higher abundance could be observed in non-amended entities. Analysis of the acidobacterial community could confirm the previous findings of their dominance in this type of ecosystem and also suggested for a high tolerancein situations of prolonged anoxia.
Using a series of different enrichment strategies, it was possible to enrich for Desulfosporosinus cells using either butyrate or lactate as carbon source under anoxic conditions, with sulfate being the only electron acceptor available. Two novel candidate isolates could be acquired that could represent novel species representatives within the genus Desulfosporosinus based on 16S rRNA sequence dissimilarity to type strains.
Both isolates were able to incompletely oxidize lactate and were probably separated during enrichment attempts via a differential amendment of either sodium or ironsulfate. A K-type of growth is proposed for the novel isolates based on substrate utilization profiles and the observed pleomorphic lifestyle.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Fen ecosystem dissimilatory sulfate reduction dsrAB Sulfate resucing microorganisms qPCR fluorescence in situ hybridization Desulfosporosinus
Schlagwörter
(Deutsch)
Moor dissimilatorische Sulfat Reduzierung dsrAB Sulfat reduzierende Mikroorganismen Moor qPCR Fluoreszenz in situ Hybridisierung Desulfosporosinus
Autor*innen
Martin Huemer
Haupttitel (Englisch)
Enlightening the sulfate-reducing microbiota in an acidic fen ecosystem
Hauptuntertitel (Englisch)
dynamics of specific microbial groups in anoxic incubations with individual carbon degradation intermediates and enrichment of a novel, rare Desulfosporosinus species
Paralleltitel (Deutsch)
Untersuchung von Sulfat-reduzierenden Mikroorganismen in einem saurem Moor Ökosystem
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
V, 95 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Alexander Loy
AC Nummer
AC12197071
Utheses ID
31242
Studienkennzahl
UA | 066 | 833 | |