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Stress recovery and growth potential of methanogenic archaea under selected enceladus-like conditions: implications for astrobiological habitability and planetary protection
Ira Vorbeck
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Molecular Microbiology, Microbial Ecology and Immunobiology
Betreuer*in
Simon Karl-Maria Rasso Rittmann
DOI
10.25365/thesis.81752
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19971.69709.160456-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Suche nach potenziell habitablen Umgebungen außerhalb der Erde ist ein zentrales Thema der Astrobiologie. Innerhalb unseres Sonnensystems gelten insbesondere Eismonde wie der Saturnmond Enceladus als vielversprechende Kandidaten, da unter seiner Eiskruste ein globaler Ozean vermutet wird. Bei der Cassini-Huygens Mission wurden in Material aus den Fontänen am Südpol des Mondes unter anderem Wasser, Salze, Karbonate sowie Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und Methan nachgewiesen. Diese chemischen Hinweise machen Enceladus besonders interessant für die Frage, ob mikrobielle Stoffwechselprozesse unter entsprechenden Bedingungen möglich wären. Methanogene Archaeen eignen sich in diesem Zusammenhang als Modellorganismen, da sie Methan bilden und dabei je nach Stoffwechseltyp Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid, Acetat oder methylierte Substrate nutzen können. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob die drei methanogenen Archaeen Methanococcoides burtonii, Methanosarcina soligelidi und Methanobacterium subterraneum unter ausgewählten Enceladus-ähnlichen Bedingungen wachsen können. Dafür wurde das Wachstum unter drei Temperaturen (4, 8 und 12 °C), sowie bei drei NaCl-Konzentrationen (0,5 %, 1 % und 2 %) untersucht. Die Organismen wurden unter anoxischen Bedingungen in definierten Medien kultiviert, und das Wachstum wurde semi-quantitativ über Verdünnungsreihen erfasst. Alle drei Methanogene zeigten unter bestimmten getesteten Bedingungen Wachstum. Die beiden kälteassoziierten Organismen M. burtonii und M. soligelidi zeigten unter den meisten Bedingungen nachweisbares Wachstum. M. subterraneum zeigte dagegen hauptsächlich bei der höchsten getesteten Temperatur Wachstum. Insgesamt war Temperatur der konsistenteste Faktor, der mit höheren Wachstumsendpunkten verbunden war. Der Einfluss der Salinität war hingegen stammspezifisch: Während M. soligelidi die höchsten Endpunkte bei höherer Temperatur und niedrigerer Salinität zeigte, waren bei M. burtonii sowohl höhere Temperatur als auch höhere Salinität mit höheren Endpunkten verbunden. Zusätzlich wurde untersucht, ob die drei methanogenen Archaeen relevante Stressbedingungen überstehen können. Dazu wurden die Organismen Trocknung sowie wiederholtem Einfrieren und Auftauen ausgesetzt. Diese Experimente sind insbesondere im Hinblick auf Planetenschutz (Planetary Protection) relevant, da mögliche mikrobielle Kontaminanten nicht nur unter extraterrestrischen Bedingungen wachsen, sondern auch physikalische Stressfaktoren während Transfer oder Exposition überleben müssten. Die Methanogenen wurden über 1, 2, 4, 7, 14 und 28 Tage getrocknet beziehungsweise 1, 2, 4, 7, 14 und 28 Einfrier-Auftau-Zyklen unterzogen. Die Überlebensfähigkeit wurde anschließend über Verdünnungsreihen erfasst. Unter beiden Stressbedingungen nahm die nachweisbare Überlebensfähigkeit der Methanogenen deutlich ab. M. subterraneum war dabei der empfindlichste Organismus und zeigte bereits nach wenigen Tagen beziehungsweise Zyklen kaum noch nachweisbare Erholung. M. soligelidi und M. burtonii überlebten länger, jedoch ebenfalls mit stark reduzierter Erholungsfähigkeit. Die Ergebnisse zeigten außerdem, dass frühe Stresssensitivität und längerfristige Persistenz nicht identisch waren: M. soligelidi zeigte zunächst den geringsten frühen Abfall, während M. burtonii insbesondere im Einfrier-Auftau-Experiment am längsten nachweisbar blieb. Als bakterielle Vergleichsorganismen wurden zusätzlich Planococcus halocryophilus und Salinisphaera shabanensis den gleichen Stressoren ausgesetzt. Beide Bakterien zeigten eine höhere beobachtete Stresstoleranz als die Methanogenen. Da die Stressantworten sowohl bei den Bakterien als auch bei den Methanogenen auf die jeweiligen t0 Kontrollen normalisiert wurden, konnten die Veränderungen gegenüber dem Ausgangszustand zwischen beiden Gruppen verglichen werden. Eine gemeinsame vergleichende Statistik zwischen Bakterien und Methanogenen wurde jedoch nicht durchgeführt, da sich die methodische Auflösung der beiden Ansätze unterscheidet: Bei den Bakterien wurde eine quantitative CFU-Zählung verwendet, während die Methanogenen semi-quantitativ über Wiederanwachsen in Verdünnungsreihen ausgewertet wurden. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die ausgewählten methanogenen Archaeen unter einigen Enceladus-ähnlichen Bedingungen wachsen können, ihre Wachstumsantworten jedoch stammspezifisch sind. Auch die Überlebensfähigkeit gegenüber Trocknung und wiederholtem Einfrieren und Auftauen unterschied sich deutlich zwischen den Organismen. Die beiden kälteassoziierten Stämme, M. burtonii und M. soligelidi, zeigten dabei in beiden experimentellen Ansätzen stärkere Wachstums- beziehungsweise Erholungsantworten als M. subterraneum. Dies stärkt den Fokus auf kälteassoziierte Methanogene als Modellorganismen und unterstreicht die Bedeutung stammspezifischer Untersuchungen für astrobiologische Fragestellungen und Planetary-Protection-Bewertungen.
Abstract
(Englisch)
The search for potentially habitable environments beyond Earth is a central topic in astrobiology. Within the Solar System, icy moons such as Saturn’s moon Enceladus are of particular interest, as the Cassini-Huygens mission detected water, salts, carbonates, carbon dioxide, molecular hydrogen, and methane in plume material. These findings suggest that Enceladus may provide chemical conditions relevant for microbial energy metabolism. Methanogenic archaea are suitable model organisms in this context because they produce methane and can use substrates such as molecular hydrogen and carbon dioxide, acetate, or methylated compounds. In this study, the growth and stress survival of three methanogens, Methanococcoides burtonii, Methanosarcina soligelidi, and Methanobacterium subterraneum, were investigated under selected Enceladus-like conditions. Growth experiments were performed anoxically in defined minimal media at 4 °C, 8 °C, and 12 °C and at NaCl concentrations of 0.5 %, 1 %, and 2 %. Growth was assessed semi-quantitatively using dilution-series endpoints. All three methanogens showed detectable growth under at least some tested conditions. The two cold-associated strains, M. burtonii and M. soligelidi, showed detectable growth under most conditions. In contrast, M. subterraneum showed growth mainly at the highest tested temperature. Overall, temperature was the most consistent factor associated with increased endpoint values, whereas the effect of salinity was strain-specific. The methanogens were also exposed to up to 28 days of desiccation and up to 28 repeated freeze–thaw cycles to assess survival under stress conditions relevant to planetary protection. Detectable recovery decreased strongly in all three strains under both stress conditions. M. subterraneum was the most sensitive organism, while M. soligelidi and M. burtonii retained detectable recovery for longer. Two bacterial comparison organisms, Planococcus halocryophilus and Salinisphaera shabanensis, showed higher stress tolerance than the methanogens. Although both readouts were normalized to their respective t0 controls, no joint statistical comparison was performed because bacterial survival was CFU-based, whereas methanogen recovery was endpoint-based and semi-quantitative. Overall, the results show that selected methanogenic archaea can retain growth potential under some Enceladus-like conditions, but that both growth and stress survival are strain-specific. Specifically, the cold-associated strains M. burtonii and M. soligelidi performed better in both experiments than M. subterraneum. These findings highlight the importance of strain-level studies for astrobiological habitability assessments and planetary-protection considerations.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Enceladus Astrobiologie Methanogene Aechaeen Planetenschutz Überleben
Schlagwörter
(Englisch)
Enceladus Methanogenic Archaea Habitability Stress Survival Planetary Protection Astrobiology
Autor*innen
Ira Vorbeck
Haupttitel (Englisch)
Stress recovery and growth potential of methanogenic archaea under selected enceladus-like conditions: implications for astrobiological habitability and planetary protection
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
72 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Simon Karl-Maria Rasso Rittmann
Klassifikation
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie
AC Nummer
AC17973916
Utheses ID
81593
Studienkennzahl
UA | 066 | 830 | |