Functional Redundancy of Anaerobes in Methanogenic Food Webs

Titelangaben

Hunger, Sindy:
Functional Redundancy of Anaerobes in Methanogenic Food Webs.
Bayreuth , 2016 . - XVIII, 311 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

Volltext

	Format: PDF Name: DissertationHunger.pdf Version: Veröffentlichte Version Verfügbar mit der Lizenz Creative Commons BY-NC-ND 3.0: Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung
	Download (5MB)

Abstract

Methan (CH4) ist ein wichtiges Treibhausgas, welches vor allem von Methanogenen produziert wird. Die Produktion von CH4 ist von dem schrittweisen Abbau organischen Materiales in Intermediate angetrieben. Der Abbau wird von einem komplexen mikrobiellen Nahrungsnetz mit Methanogenese als abschließendem Prozess katalysiert. Dieses Nahrungsnetz verbindet Gärung, syntrophe Gärung, Acetogenese und Methanogenese. Methanogene Habitate variieren jedoch in pH, Temperatur, Verfügbarkeit von Nährstoffen und Kohlenstoffquellen, und könnten daher unterschiedliche mikrobielle Gesellschaften aufweisen, welche an die verschiedenen Bedingungen angepasst sind und gemeinsam den Abbau von komplexem, organischem Materials katalysieren. Das heißt, methanogene Nahrungsnetze in unterschiedlichen CH4-emittierenden Habitaten könnten durch funktionell redundante Anaerobe angetrieben werden. Unabhängig von theoretischen Betrachtungen sind methanogene Nahrungsnetze größtenteils konzipiert und wenig aufgeklärt. Die Zielsetzung dieser Dissertation war es (a) komplexe methanogene Nahrungsnetze von unterschiedlichen CH4-emittierenden Habitaten aufzuklären und (b) zu bestimmen, ob diese methanogenen Nahrungsnetze von funktionell redundanten Anaeroben angetrieben sind. Die Fragestellung wurde mit kultivierungsabhängigen, analytischen und molekularen Methoden bearbeitet, welche Isolierung, Supplementierung von anoxischen Aufschlämmungen, Bestimmung von Dissimilationsprodukten, Quantifizierung von kultivierbaren Mikroorganismen, Beprobung von stabilen Isotopen, Quantifizierung von Kopienzahlen von Genen, Analyse von 16S rRNA und 16S rRNA Genen, und Analyse von strukturellen Genen umfasste. Der Boden von vier unterschiedlichen Mooren, wurzelfreier Boden und bodenfreie Wurzeln von Moorpflanzen, und der Darminhalt des Regenwurmes Eudrilus eugeniae wurden analysiert. Die unterschiedlichen Moorböden wiesen ähnliche Glukose-, Acetat- und H2-CO2-abhängige Produktprofile, ähnliche Zellzahlen kultivierbarer Mikroorganismen und ähnliche Kopienzahlen von Genen auf. Die bakteriellen und methanogenen Gesellschaften zeigten hingegen große Unterschiede. Lediglich 15 % der mcrA Phylotypen auf Speziesebene (mcrA kodiert die Alphauntereinheit der Methyl-CoM Reduktase) und 16S rRNA Gen Phylotypen auf Familienebene konnten in allen Moorböden nachgewiesen werden, was auf methanogene Nahrungsnetze hindeutet, die größtenteils durch unterschiedliche Mikroorganismen angetrieben werden. Clostridiaceae beispielsweise wrden in allen Moorböden detektiert wohingegen Bacillaceae oder Peptococcaceae begrenzt auf nur einen der Moorböden waren. Von jedem Moorboden waren etwa 40 % der detektierten Phylotypen auf Familienebene mit keinem kultivierten Isolat assoziiert. Dies veranschaulicht das breite Spektrum an Mikroorganismen in Moorböden, welches es noch zu charakterisieren gilt. Der Großteil der Taxa, der in sauren Moorböden detektiert wurde, wurde auch in eher neutraleren Moorböden detektiert. Viele Taxa, die in eher neutraleren Moorböden detektiert wurden, wurden nicht in sauren Moorböden detektiert. Diese Beobachtungen sind ein Hinweis darauf, dass die Diversität an Mikroorganismen in sauren Moorböden durch den pH eingeschränkt wurde. Formiat kann als Substrat von Methanogenen verwendet werden und wird von Gärern, die in Moorböden zu finden sind, und von Pflanzenwurzeln in Form von Wurzelexsudaten freigesetzt, was auf den Wurzelbereich als Hotspot für Methanogenese hinweisen könnte. Überraschenderweise produzierten bodenfreie Wurzeln von Molinia caerulea und Carex sp. aus einem der zuvor genannten Moore zunächst H2-CO2 als Reaktion auf die Zugabe von Formiat. Zwei Isolate wurden von genannten Wurzeln gewonnen, welche mit Citrobacter und Hafnia verwandt sind und gären können. Beide Isolate katalysieren die Bildung von H2 aus Formiat mittels des Formiat-Hydrogenlyase-Komplexes, welcher eine Gruppe 4 [NiFe]Hydrogenase enthält. Die Produktion von CH4 und Acetat durch Methanogene und Acetogene trat nach der Produktion von H2 auf, entweder indirekt von aus Formiat gebildetem H2 oder direkt von zugegebenem Formiat. Diese Beobachtungen veranschaulichen potentielle trophische Interaktionen zwischen Acetogenen, Methanogenen und Gärern, die einen Formiat-Hydrogenlyase-Komplex besitzen. Der Darminhalt des CH4-emittierenden Regenwurmes E. eugeniae fermentierte Glukose, produzierte H2-CO2 aus Acetat durch Acetogenese und produzierte CH4. Eine methanogene und eine acetogene Anreicherungskultur wurden aus dem Darminhalt gewonnen. Die methanogene Anreicherungskultur nutzte Formiat und H2-CO2 und beinhaltete Spezies der Gattung Methanobacterium. Die acetogene Anreicherungskultur bildete Acetat aus Formiat und H2-CO2 in einem stöchiometrischen Verhältnis, welches auf Acetogenese hinwies, und beinhaltete einen zu Terrisporobacter verwandten Acetogenen. Die meisten detektierten Gärer, Acetogenen und Methanogenen unterschieden sich von Taxa, die in Moorböden oder an Wurzeln von Moorpflanzen gefunden wurden. Gärer und Acetogene wurden aus belüftetem Waldboden, Wurzeln von Moorpflanzen und dem Darminhalt des Regenwurmes E. eugeniae isoliert oder angereichert. Die Gärer produzierten Intermediate, welche von den Acetogenen konsumiert wurden. Der Acetogene SB1 (verwandt zu Clostridium) beispielsweise wurde in einer Kultur zusammen mit den Gärern SB3 (verwandt zu Clostridium) und SB4 (verwandt zu Carnobacterium) aus Wurzeln von Moorpflanzen angereichert. Beide Gärer wurden in Reinkultur gewonnen und produzierten unter anoxischen Bedingungen H2, Ethanol, Formiat und Laktat aus Glukose. Im Kontrast dazu, produzierte die Kokultur mit dem Acetogenen SB1 lediglich Acetat von Glukose. Dies weist darauf hin, dass der Acetogene SB1 Gärungsprodukte der beiden Gärer nutzen kann. Diese Beobachtungen veranschaulichen die möglichen trophischen Interaktionen von Gärern und Acetogenen in unterschiedlichen Habitaten. Die Gesamtheit der Ergebnisse zeigt, dass sich die mikrobiellen Prozesse, welche die methanogenen Nahrungsnetze in Moorböden, der Rhizosphäre von Moorpflanzen und dem Darminhalt von E. eugeniae antreiben, qualitativ stärker ähneln als unterscheiden, jedoch von unterschiedlichen mikrobiellen Gesellschaften ermöglicht werden. Die funktionelle Redundanz mikrobieller Gesellschaften ist besonders durch die große Anzahl detektierter Taxa reflektiert, welche in den jeweiligen anoxischen Habitaten nicht identisch sind, aber dennoch ähnliche Prozesse katalysieren.

Abstract in weiterer Sprache

Methane (CH4) is an important greenhouse gas and is predominantly produced by methanogens. The production of CH4 is driven by a stepwise degradation of organic matter into intermediates by a complex microbial food web in which methanogenesis is the terminal process. This food web trophically links fermentation, syntrophic fermentation, acetogenesis, and methanogenesis. However, methanogenic habitats can differ in pH, temperature, and availability of nutrients and carbon sources, and thus, may harbor dissimilar microbial communities that are adapted to those varying conditions and collectively catalyze the degradation of complex organic matter. In other words, methanogenic food webs of different CH4-emitting habitats may be driven by functionally redundant anaerobes. Despite these theoretical considerations, methanogenic food webs are for the most part conceptualized rather than resolved. The objectives of this dissertation were to (a) resolve the complex methanogenic food webs of contrasting CH4-emitting habitats and (b) determine if those methanogenic food webs are driven by functionally redundant anaerobes. The objectives were addressed with cultivation-dependent, analytical, and molecular approaches, including isolation, supplementation of anoxic slurries, determination of dissimilation products, quantification of cultivable microorganisms, stable isotope probing, quantification of gene copy numbers, analysis of 16S rRNA and 16S rRNA genes, and analysis of structural genes. Soil from four contrasting mires, root-free soil and soil-free roots of mire plants, and gut contents of the earthworm Eudrilus eugeniae were analyzed. Contrasting mire soils showed similar glucose-, acetate-, and H2-CO2-dependent product profiles, cell numbers of cultivable microorganisms, and gene copy numbers, but major differences were observed in bacterial and methanogenic communities. Only 15 % of species-level mcrA and family-level 16S rRNA gene phylotypes (mcrA encodes the alpha-subunit of methyl-CoM reductase) were common to all mire soils, indicating that methanogenic food webs are for the most part driven by dissimilar microorganisms. For example, Clostridiaceae were common to all mire soils whereas Bacillaceae or Peptococcaceae were restricted to only one of the mire soils. About 40 % of the detected family-level phylotypes of each mire soil have no cultured isolate, illustrating that a diverse array of mire-derived microorganisms await characterization. The majority of taxa detected in acidic mire soils were also detected in more neutral mire soils whereas many taxa detected in more neutral mire soils were not detected in acidic mire soils, suggesting that pH restricted the diversity of microorganisms in acidic mire soils. Formate can be a substrate for methanogens and is released from mire-derived fermenters and from plant roots as a root exudate, suggesting that the root zone might be a hot spot for methanogenesis. Surprisingly, soil-free roots of Molinia caerulea and Carex sp. from one of the aforementioned mires initially produced H2-CO2 in response to supplemental formate. Two isolates related to Citrobacter and Hafnia were obtained from those roots and were capable of fermentation. Both isolates catalyze the formation of H2 from formate via the formate-hydrogenlyase complex harboring a group 4 [NiFe]hydrogenase. The production of CH4 and acetate by methanogens and acetogens, respectively, occurred subsequently either indirectly from formate-derived H2 or directly from supplemental formate. These observations illustrate a potential trophic interaction between formate-hydrogenlyase-containing fermenters, acetogens, and methanogens. Gut contents of the CH4-emitting earthworm E. eugeniae fermented glucose, produced acetate from H2-CO2 via acetogenesis, and produced CH4. A methanogenic and an acetogenic enrichment were obtained from gut contents. The methanogenic enrichment utilized formate and H2-CO2 and contained species of Methanobacterium. The acetogenic enrichment formed acetate from formate and H2-CO2 in a stoichiometric ratio indicative of acetogenesis and contained an acetogen related to Terrisporobacter. Most detected fermenters, acetogens, and methanogens differed from taxa detected in mire soils and on mire-derived plant roots. Fermenters and acetogens were isolated or enriched from aerated forest soil, roots of mire plants, and gut contents of the earthworm E. eugeniae. The fermenters produced intermediates that were consumed by the acetogens. For example, the Clostridium-related acetogen SB1 was enriched in a culture together with the Clostridium-related fermenter SB3 and the Carnobacterium-related fermenter SB4 from roots of mire plants. Both fermenters were obtained in pure culture and produced H2, ethanol, formate and lactate from glucose under anoxic conditions. In contrast, in co-culture with the Clostridium-related acetogen SB1, only acetate was produced from glucose, indicating that the acetogen utilized the fermentation products of the two fermenters. These findings illustrate the potential trophic interactions and functional redundancy of fermenters and acetogens in contrasting habitats. The collective results indicated that microbial processes driving the methanogenic food webs in mire soils, the rhizosphere of mire plants, and gut contents of E. eugeniae are qualitatively more similar than dissimilar but are facilitated by dissimilar microbial communities. The functional redundancy of the microbial communities is in particular reflected by the large number of detected taxa not identical in each of the anoxic habitats but nonetheless catalyzing similar processes.