Trophic interactions of a chitin-degrading microbiome of an aerated agricultural soil

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Wieczorek, Adam:
Trophic interactions of a chitin-degrading microbiome of an aerated agricultural soil.
Bayreuth , 2019 . - XVI, 165 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Chitin is the second most abundant polysaccharide after cellulose and is subject to rapid microbial turnover in the environment. Microbial degradation of chitin in soil substantially contributes to carbon cycling and release in terrestrial ecosystems. In aerated soil ecosystems, chitin occurs as a structural component in protists, arthropods, and fungi. Thereby, fungi represent the main source of chitin in such soils as fungi have cell walls with up to 25% chitin and account for up to 60-90% of the microbial biomass in aerated soils. Chitin degradation can theoretically occur via two major degradation pathways. It can be deacetylated to chitosan or can be hydrolyzed to N,N´-diacetylchitobiose and oligomers of N-acetylglucosamine by aerobic and anaerobic microorganisms. Which pathway of chitin hydrolysis is preferred by soil microbiomes was unknown prior to this thesis. Therefore, processes, metabolic responses and degradation products associated with chitin and chitosan hydrolysis were assessed. Chitin was immediately broken down by the tested microbiome, but chitosan only with a considerable time delay, which suggests that the microbiome is adjusted to chitin as a substrate, and the degradation of chitin probably likely does not take place via the deacetylation to chitosan. Another objective of this study was to study the trophic interactions and dynamics of members of a chitin-degrading microbiome and the influence of oxygen on the carbon flow from chitin degradation, as these topics are largely uninvestigated in aerated soils. Therefore, a time-resolved 16S rRNA stable isotope probing experiment was conducted to label and identify those members of a soil microbiome that are involved in the aerobic and anaerobic degradation of chitin. [13C]-chitin was largely mineralized within 20 days, and Cellvibrio, Massilia, and several Bacteroidetes families were identified as initial active chitin degraders under oxic conditions. Subsequently, Planctomycetes and Verrucomicrobia were labeled by assimilating carbon either directly from chitin or from the degradation of cell wall polysaccharides, biofilm-associated exopolysaccharides, and small metabolic byproducts of chitinolytic bacteria. Bacterial predators (e.g., Bdellovibrio and Bacteriovorax) were labeled and non-labeled micro-eukaryotic predators (Alveolata) increased in relative abundance towards the end of the incubation (70 days), indicating that chitin degraders were subject to predation. Under anoxic conditions, trophic interactions differed substantially compared to oxic conditions. Various fermentation types occurred along with iron respiration. While Acidobacteria and Chloroflexi were initially labeled, Firmicutes and uncultured Bacteroidetes were predominantly labeled, suggesting that the latter two bacterial groups were mainly responsible for the degradation of chitin, and also provided substrates for iron reducers. The collective data indicated (a) that hitherto unrecognized Bacteria were involved in the chitin-degrading food web of an agricultural soil, (b) that trophic interactions of the chitin-degrading microbial food web were substantially shaped by the oxygen availability, and (c) that predation was restricted to oxic conditions. The functional redundancy of the soil microbiome and the catabolic diversity likely enable continued biopolymer degradation independent of oxygen concentration. Furthermore, chitin was readily and nearly completely degraded, suggesting that chitin is not as recalcitrant as it is sometimes believed to be. Thus, ‘recalcitrance’ of chitin is relative, rather than absolute and a matter of accessibility to the soil microbiome that is collectively adapted to degrade ubiquitous and abundant naturally occurring structural polysaccharides like chitin and cellulose.

Abstract in weiterer Sprache

Chitin ist nach Cellulose das zweithäufigste Polysaccharid und unterliegt einem schnellen mikrobiellen Umsatz in der Umwelt. Der mikrobielle Abbau von Chitin im Boden trägt wesentlich zum Kohlenstoffkreislauf und zur Freisetzung von Kohlenstoff im terrestrischen Ökosystem bei. Chitin kommt in belüfteten Bodenökosystemen als Strukturkomponente in Protisten, Arthropoden und Pilzen vor. Dabei stellen Pilze die Hauptquelle von Chitin in solchen Böden dar, da pilzliche Zellwände bis zu 25% Chitin enthalten und Pilze bis zu 60-90% der mikrobiellen Biomasse in belüfteten Böden ausmachen. Der Abbau von Chitin kann theoretisch über zwei generelle Abbaupfade erfolgen. Es kann zu Chitosan deacetyliert werden oder durch aerobe und anaerobe Mikroorganismen zu N,N'-Diacetylchitobiose und Oligomeren von N-Acetylglucosamin hydrolysiert werden. Welcher Weg des Chitin-Abbaus von Bodenmikrobiomen bevorzugt wird, ist unbekannt. Daher wurden in dieser Arbeit die mit der Hydrolyse von Chitin, Chitosan und deren Hydrolyseprodukten verbunden Prozesse und metabolischen Reaktionen untersucht. Chitin wurde durch das untersuchte Mikrobiom sofort abgebaut, während der Abbau von Chitosan mit erheblicher zeitlicher Verzögerung ablief. Dies bedeutet, dass das Mikrobiom auf Chitin als Substrat eingestellt ist, und dass der Abbau von Chitin wahrscheinlich nicht über die Deacetylierung zu Chitosan erfolgt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, die trophischen Wechselwirkungen und die Dynamik von Mitgliedern eines chitinabbauenden Mikrobioms sowie der Einfluss von Sauerstoff auf den aus dem Chitinabbau resultierenden Kohlenstofffluss in belüfteten Böden zu untersuchen, da bislang wenig darüber bekannt ist. Daher wurde ein zeitaufgelöstes 16S-rRNA-Stabile Isotopenbeprobung-Experiment durchgeführt, um diejenigen Mitglieder eines Bodenmikrobioms zu markieren und zu identifizieren, die an dem aeroben und anaeroben Abbau von Chitin beteiligt sind. [13C]-Chitin wurde innerhalb von 20 Tagen weitgehend mineralisiert, und Cellvibrio, Massilia und mehrere Bacteroidetes-Familien wurden als initiale aktive chitinolytische Mikroben unter oxischen Bedingungen identifiziert. Anschließend wurden Planctomyceten und Verrucomicrobia durch die Assimilierung von Kohlenstoff entweder direkt aus Chitin oder aus dem Abbau von Zellwand-Polysacchariden, Biofilm-assoziierten Exopolysacchariden und von chitinolytischen Bakterien produzierten metabolischen Nebenprodukten markiert. Bakterielle Prädatoren (z.B. Bdellovibrio und Bacteriovorax) wurden markiert und nicht markierte mikro-eukaryotische Prädatoren (Alveolata) erhöhten sich gegen Ende der Inkubation (70 Tage) in der relativen Abundanz, was darauf hinweist, dass chitinolytische Mikroben als Nahrungsquelle für Prädatoren dienten. Die trophischen Wechselwirkungen unter anoxischen Bedingungen unterschieden sich, im Vergleich zu den oxischen Bedingungen, erheblich. Verschiedene Fermentationstypen traten zusammen mit der Eisenatmung auf. Während anfänglich Acidobacteria und Chloroflexi geringfügig markiert wurden, wurden später Firmicutes und unkultivierte Bacteroidetes deutlich markiert, was darauf hindeutet, dass die beiden letztgenannten Bakteriengruppen hauptsächlich für den Abbau von Chitin verantwortlich waren und möglicherweise auch Substrate für die Eisenreduzierer zur Verfügung stellten. Zusammengenommen zeigten die Daten, (a) dass bisher dafür unbekannte Bakterien am Abbau von Chitin und dem damit verbundenen Nahrungsnetz eines Ackerbodens beteiligt waren, (b) dass die trophischen Wechselwirkungen in dem chitinabbauenden mikrobiellen Nahrungsnetz im Wesentlichen durch die Sauerstoffverfügbarkeit bestimmt wurden und (c), dass Prädation nur unter oxischen Bedingungen eine Rolle spielte. Die funktionelle Redundanz des Bodenmikrobioms und die katabole Vielfalt ermöglichen trotzdem einen kontinuierlichen Biopolymerabbau unabhängig von der Sauerstoffkonzentration. Darüber hinaus wurde Chitin schnell und fast vollständig abgebaut, was darauf hindeutet, dass Chitin nicht so schwierig abzubauen ist, wie es manchmal angenommen wird. Daher ist die "schlechte Abbaubarkeit" von Chitin eher relativ als absolut und eine Frage der Zugänglichkeit für das Bodenmikrobiom, das kollektiv angepasst ist, um allgegenwärtige und reichlich vorhandene strukturelle Polysaccharide wie Chitin und Cellulose abzubauen.