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Metabolic versatility of nitrifiers playing a key role in global nitrogen cycling
Katharina Kitzinger
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*innen
Michael Wagner ,
Marcel Kuypers
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19385.19873.926562-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Nitrifikation, die Oxidation von Ammoniak zu Nitrat über Nitrit, ist ein Schlüsselprozess im biogeochemischen Stickstoffkreislauf und wird von spezialisierten Mikroorganismen ausgeführt, den Nitrifikanten. Trotz der Bedeutung dieser Organismen für künstliche und natürliche Systeme sind viele Aspekte ihrer Physiologie unerforscht. Hier wurden kultivierungsabhängige und kultivierungsunabhängige Isotopen-basierte Ansätze kombiniert, um die metabolische Vielseitigkeit von Nitrifikanten und ihre Relevanz in der Umwelt zu untersuchen.
Die Isolierung, physiologische und genomische Beschreibung des neuen Nitrit Oxidierer Candidatus Nitrotoga fabula aus einer Kläranlage eröffnete neue Einblicke in die Evolutionsgeschichte der Nitrit Oxidation und zeigte, dass Nitrotoga das Potential hat, Wasserstoff und Sulfit als alternative Elektronendonoren zu nutzen. Metabolische Vielseitigkeit kennzeichnete auch Nitrifikanten in der Umwelt. Ammoniak-oxidierende Archaeen (AOA), die bis zu vierzig Prozent der marinen Mikroorganismen ausmachen, verwendeten im Golf von Mexiko (GoM) die organischen Stickstoffverbindungen Harnstoff und Cyanat als zusätzliche Energie- und Stickstoffquellen, obwohl ihnen bekannte Enzyme für den Cyanat-Abbau fehlen. Im Vergleich zu den AOA sind Nitrospinae, die wichtigsten marinen Nitrit Oxidierer, sehr selten. Da Nitrit im Ozean jedoch nicht angereichert ist, müssen Nitrospinae hochaktiv sein. Dies wurde anhand von Einzelzellmessungen im GoM nachgewiesen. Nitrospinae hatten außerdem eine deutlich höhere Energie-Effizienz und Wachstumsraten als AOA. Zusätzlich deckten Nitrospinae den Großteil ihres Stickstoffbedarfs durch organische Stickstoffverbindungen. Die Verwendung von organischen Stickstoffverbindungen durch Nitrifikanten ist vermutlich ein Grund für ihren Erfolg in der Umwelt. Außerdem wurde eine neue Methode für Inkubationen mit stabilen Isotopen entwickelt, die cross-feeding in mikrobiellen Gemeinschaften unterbindet und die direkte Identifikation von Mikroorganismen ermöglicht, die für Substratumwandlungen in der Umwelt relevant sind.
Abstract
(Englisch)
Nitrification, the oxidation of ammonia to nitrate via nitrite, is a key process of biogeochemical nitrogen cycling, carried out by specialized microorganisms, the nitrifiers. Despite their importance in man-made and natural systems, many aspects of their physiology are unknown. Here, cultivation-dependent and -independent stable-isotope-based approaches were used to study nitrifier metabolic versatility and their environmental relevance.
The isolation, physiological and genomic characterization of the novel nitrite oxidizer Candidatus Nitrotoga fabula from wastewater provided new insights into the evolution of nitrite oxidation and showed that Nitrotoga has the potential to utilize hydrogen and sulfite as alternative electron donors. Metabolic versatility is also important for nitrifiers in the environment. Ammonia oxidizing archaea (AOA), which can constitute up to forty percent of the marine microbial community, utilized the organic nitrogen compounds urea and cyanate as additional energy and nitrogen-sources in the Gulf of Mexico (GoM), despite lacking known enzymes for cyanate breakdown. Compared to AOA, Nitrospinae, the main marine nitrite oxidizers, are rare. Nitrite does not accumulate in the ocean, therefore, Nitrospinae must be highly active. This was shown using single cell measurements in the GoM. Nitrospinae additionally had much higher energy efficiency and growth rates than AOA. Additionally, Nitrospinae met most of their nitrogen demand by assimilating organic nitrogen. The utilization of organic nitrogen compounds is likely a key factor explaining the environmental success of AOA and Nitrospinae. Additionally, a new method for stable isotope incubations was developed that eliminates cross-feeding and thereby allows to directly link specific microorganisms to environmental substrate-turnover.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
nitrification physiology metabolic versatility single cell activity ammonia oxidizing archaea nitrite oxidizing bacteria stable isotope incubations cultivation marine
Schlagwörter
(Deutsch)
Nitrifikation Physiologie Metabolische Vielseitigkeit Einzelzell-Aktivität Ammoniak-oxidizerende Archaeen Nitrit-oxidierende Bakterien stabile Isotopen Inkubationen Kultivierung marin
Autor*innen
Katharina Kitzinger
Haupttitel (Englisch)
Metabolic versatility of nitrifiers playing a key role in global nitrogen cycling
Paralleltitel (Deutsch)
Metabolische Vielseitigkeit von Nitrifikanten, Schlüsselorganismen im globalen Stickstoffkreislauf
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
209 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Kai-Uwe Hinrichs ,
Samantha Joye
AC Nummer
AC15405860
Utheses ID
51183
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |