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Novel uncultured peatland bacteria with a dissimilatory sulfur metabolism
Bela Hausmann
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Biologie)
Betreuer*in
Alexander Loy
Mitbetreuer*in
Michael Pester
DOI
10.25365/thesis.54390
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-24286.09400.864871-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Feuchtgebiete sind momentan noch eine Kohlenstoffsenke und speichern ungefähr ein Drittel alles organischen Kohlenstoffs. Trotzdem sind sie für 25–30% des globalen Methanhaushalts verantwortlich. Daher ist es essentiell, alle biogeochemischen und mikrobiellen Prozesse zu verstehen welche eine Rolle in der Kohlenstoff-Mineralisierung spielen. Indem er den Kohlenstoff- und Energiefluß von Methanogenese auf CO₂ Emission umleitet, hat der Schwefelkreislauf einen erheblichen Einfluss darauf, wie Kohlenstoff mineralisiert wird. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, alle Mikroorganismen die in den Schwefelkreislauf von Feuchtgebieten involviert sind, zu identifizieren. Zusätzlich wurden ihre metabolische Fähigkeiten, Ökophysiologie, und potentielle als auch realisierte Nischen charakterisiert. Boden aus einem ausführlich studierten Moor in Deutschland wurde verwendet um Inkubationsexperimente anzusetzen. Mikrokosmen wurden 50 Tage mit mikromolaren Mengen von Formiat, Acetat, Propionat, Lactat, oder Butyrat inkubiert, und zusätzlich durch Sulfat stimuliert, sowie auch ohne zusätzliche Schwefelquelle inkubiert. Angesprunge Mikroorganismen wurde durch 16S rRNA Gene und Transkript Sequenzierung, und quantitative PCR quantifiziert. Mit Hilfe von Metagenomik wurden gleichzeitig Genome von Mikroorganismen, welche eine DsrAB-Typ Dissimilatorische Sulfit-Reduktase kodieren, erforscht. Die Aktivität ausgewählter annotierter Funktionen zu verschiedenen Zeitpunkten wurde mit Metatranskriptomik analysiert. Dies ergab neue Einblicke in die Mikroorganismen des Schwefelkreislaufs von Feuchtgebieten. Der Sulfatreduzierer Candidatus Desulfosporosinus infrequens ist ein rares, autochthones Mitglied der mikrobiellen Gemeinschaft (<0.1% relative Abundanz), welches auch über die gesamte Dauer der Mikrokosmos-Inkubationen selten geblieben ist. Zugleich gab es aber auch ansteigende transkriptionelle und metabolische Aktivität. Diese neue Strategie von Ca. D. infrequens zeigt, warum es so wichtig ist, die “seltene Biosphere” zu erforschen. Gleichzeitig waren Mitglieder des alphaproteobateriellen Genus Telmatospirillum in den Mikrokosmos-Inkubationen sehr häufig. Obwohl diese bis jetzt nicht mit dem Schwefelkreislauf in Verbindung gebracht wurden, reagierten sie sowohl mit Wachstum als auch mit transkriptioneller Aktivität auf Sulfat Stimulation. Durch die Genom-Sequenzierung des nächsten Verwandten hat sich herausgestellt, dass dieser Gene für einen Teil des Sox-Typ Schwefeloxidations-Komplex kodiert. Daraus lässt sich folgern, dass Telmatospirillum Spezies möglicherweise bei Schwefeloxidation in Feuchtgebieten mitwirken. Weiters wurden aus Metagenomen auch solche Genome rekonstruiert, die zu Phyla gehören in welchen bis jetzt keine Gene für einen dissimilatorischen Schwefelmetabolismus gefunden wurden. Mitglieder der acidobakteriellen Subdivisionen 1 und 3 beinhalten die Candidatus Genera Sulfotelmatobacter, Sulfotelmatomonas, und Sulfopaludibacter, welche wahrscheinlich im Schwefelkreislauf involviert sind. Dies könnte kombiniert mit Umsatz von organischem Kohlenstoff oder mit Sauerstoff Atmung geschehen. Überraschenderweise besitzen deren Genome die Gene dsrD und dsrL, welche bis jetzt nie zusammen in einem Genom gefunden wurde, weshalb vermutet wurde, dass sie spezifisch für Sulfat-/Sulfitreduktion oder Schwefeloxidation sind. Zusätzlich formte ein Mitglied der Verrucomicrobia zusammen mit Mitgliedern zweier kürzlich erst entdecken Phyla einen neuen tief zweigenden Ast in der DsrAB Phylogenie. Dies könnte neue Einsichten in die Evolution von Schwelfemetabiolimsum geben. Diese Doktorarbeit erweitert das Wissen über die Diversität und die potentiellen metabolischen Fähigkeiten von Mikroorganismen im Schwefelkreislauf, und welche Rolle sie bei der Kohlenstoff-Mineralisierung in Feuchtgebiete spielen. Weiterführende Forschung ist nötig, um die Physiologie und Ökologie aller Mikroorganismen aufzudecken, die in Element-Kreisläufen in diesem komplexen Ökosystem zusammenwirken. Nur dadurch kann man verstehen wie sich Feuchtgebiete im immer wandelten Klima verhalten werden.
Abstract
(Englisch)
Wetlands are currently net carbon sinks that store about a third of the world’s organic soil carbon. Nevertheless, they are still responsible for 25–30% of the global methane budget. Therefore, it is critical to understand the biogeochemical and microbiological processes involved in carbon mineralization. Among other factors, sulfur cycling exerts control over carbon mineralisation by diverting carbon and energy flow away from methanogenesis to emission the of CO₂. This thesis aimed to identify the microorganisms involved in sulfur cycling and their syntrophic partners in wetland ecosystems. In addition, their metabolic repertoire, ecophysiology, and potential and realized niches were characterized. Soil from a long-term peatland study site in Germany was used to inoculate anoxic microcosm experiments. Microcosms were incubated for 50 days with micromolar amounts of formate, acetate, propionate, lactate, or butyrate, and were either stimulated with the addition of sulfate or incubated without external sulfate amendment. Responding microorganisms were identified and quantified with 16S rRNA gene and transcript sequencing, and quantitative PCR. In parallel, draft genomes of microorganisms encoding DsrAB-type dissimilatory sulfite reductases were obtained using metagenomics. Activity of selected annotated functions was analyzed by metatranscriptome sequencing of microcosm samples from different time points. This resulted in novel insights in the sulfur cycling microorganisms in this wetland. The sulfate reducer Candidatus Desulfosporosinus infrequens is an autochthonous low-abundance member of the microbial community (<0.1% relative abundance) that remained rare over 50 days of microcosm incubations. At the same time, it was highly active as shown by increased transcriptional and metabolic activity. This novel strategy by Ca. D. infrequens highlights the importance of studying the rare biosphere. On the other hand, members of the alphaproteobacterial genus Telmatospirillum became highly abundant in the microcosm incubations. While not previously known to be involved in sulfur cycling, they responded rapidly to sulfate stimulation with transcriptional activity and growth. Genome sequencing of the closest relative revealed genes for a partial Sox-type sulfur oxidation machinery, indicating Telmatospirillum species were likely involved in wetland sulfur oxidation. Furthermore, several metagenome-assembled genomes were reconstructed from phyla which were not previously known to contain sulfur compound-cycling microorganisms. Members of acidobacterial subdivisions 1 and 3 contained the new Candidatus genera Sulfotelmatobacter, Sulfotelmatomonas, and Sulfopaludibacter that are tentatively involved in dissimilation of sulfur compounds with either complex organic matter or oxygen. Surprisingly, their genomes encode the marker genes dsrD and dsrL, which were previously considered to be mutually exclusive and indicative for reductive and oxidative sulfur dissimilation, respectively. Additionally, a member of the Verrucomicrobia together with members of two novel phyla formed a deep branching cluster in DsrAB phylogeny, which could give new insights in the evolution of sulfur metabolism. In conclusion, this thesis extends the known diversity and metabolic potential of sulfur cycling microorganismes and reveals their potential roles in wetland carbon mineralisation. Further research will be required to fully elucidate the physiology and ecology of all microorganism that tie together element cycles in these complex environments and thereby understand how wetlands will react to our ever changing climate.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
sulfur metabolism sulfate reduction peatlands wetlands rare biosphere
Schlagwörter
(Deutsch)
Schwefelmetabolismus Sulfatreduktion Moore Feuchtgebiete Seltene Biosphäre
Autor*innen
Bela Hausmann
Haupttitel (Englisch)
Novel uncultured peatland bacteria with a dissimilatory sulfur metabolism
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
118 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Joel E. Kostka ,
Kirsten Kusel
Klassifikationen
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie ,
42 Biologie > 42.97 Ökologie: Sonstiges
AC Nummer
AC15194852
Utheses ID
48060
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |