Dissertation/Thesis Abstract

Aerobic Methylotrophic Microorganisms in an Acidic Deciduous Forest Soil: Substrate Range and Effect of pH
by Morawe, Mareen, Dr.Nat., Universitaet Bayreuth (Germany), 2018, 400; 27600481
Abstract (Summary)

Methylotrophe Mikroorganismen besitzen einen einzigartigen Metabolismus, der es ihnen ermöglicht, C1-Verbindungen als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle zu nutzen. Deshalb sind Methylotrophe eine wichtige Senke für gasförmige C1-Verbindungen wie Methan, Methanol und Chlormethan, die für die Atmosphärechemie relevant sind. Diese flüchtigen organischen Verbindungen (VOC, volatile organic compounds) beeinflussen das Klima und die Chemie der Atmosphäre. Obwohl methylotrophe Mikroorganismen seit dem letzten Jahrhundert Forschungsgegenstand sind, ist das Wissen über die Umweltfaktoren, die deren Biodiversität steuern, begrenzt. Die meisten aus dem Boden gewonnenen Isolate sind neutrophil und fakultativ methylotroph, was bedeutet, dass sie in der Lage sind Mehrfachkohlenstoffverbindungen zu nutzen. Aus diesem Grund könnten das Substratspektrum sowie der pH-Wert wichtige Faktoren sein, die die ökologische Nische von Methylotrophen in einer komplexen mikrobiellen Gemeinschaft bestimmen. In der vorliegenden Arbeit wurden aerobe Methylotrophe in einem sauren Laubwaldboden bezogen auf ihre Diversität, ihr Substratspektrum hinsichtlich verschiedener C1-Verbindungen und ihrer Fähigkeit Mehrfachkohlenstoffverbindungen zu assimilieren, sowie den Effekt des pH-Wertes im Boden analysiert. Langzeitinkubationen unter methanotrophen und gemischten Substratbedingungen, die sich auf das Methanabbaupotenzial eines Waldbodens, die Abundanz der "hochaffinen" USCα Methanotrophen (basierend auf qPCR Analysen des pmoA-Gens von USCα) und deren Substratspektrum konzentrierten, ergaben ein sehr eingegrenztes Substratspektrum, das sich scheinbar nur auf Methan beschränkt. Aus diesem Grund konnte die Vorstellung, dass hochaffine Methanotrophe wie USCα alternative kohlenstoffhaltige Substrate außer Methan nutzen können, nicht bestätigt werden. Einblicke in das Stoffwechselverhalten und das Substratspektrum bodenbürtiger Methylotrophen, die Methanol nutzen können, wurden durch Inkubationsstudien unter methylotrophen und gemischten Substratbedingungen ermöglicht. Diese Experimente kombinierten vergleichende stabile Isotopensondierungsexperimente (SIP, stable isotope probing) und Hochdurchsatz-Sequenzierungstechniken (NGS) auf Grundlage allgemeiner (16S rRNA, ITS) und methylotroph-spezifischer (mxaF/xoxF, cmuA) Genmarker. So wurden Angehörige der Rhizobiales als Methanolnutzer identifiziert, wobei Beijerinckiaceae die Hauptnutzer von Methanol waren. Beijerinckiaceae nahmen dabei eine zentrale Rolle in einem methanol-abhängigen Nahrungsnetz ein, das andere Bakterien (Acidobacteria, Actinobacteria, Planctomycetes und Verrucomicrobia) sowie Pilze (Trichosporon, Cryptococcus, Mortierella) umfasste. Die als assimiliert identifizierten Substrate der methylotrophen Beijerinckiaceae waren ausschließlich C1-Verbindungen und keine Mehrfachkohlenstoffverbindungen. Bei anderen Methanolnutzern wie z.B. Methylobacteriaceae und Hyphomicrobiaceae wurde ein breiteres Substratspektrum detektiert, welches Acetat, Zucker und Aromaten einschloss. Außerdem wurde eine unerwartete hohe Diversität chlormethannutzender Taxa identifiziert, die den Alphaproteobacteria (Beijerinckiaceae, Methylobacteriaceae, Hyphomicrobiaceae und Bradyrhizobiaceae) sowie Actinobacteria (Actinomycetales, Pseudonocardiaceae und Microbacteriaceae) zuzuordnen sind. Diese chlormethannutzenden Taxa konnten zudem in verschiedene "trophische Typen" hinsichtlich der Nutzung von Methanol und Chlormethan als Kohlenstoff- und/oder Energiequelle eingeteilt werden. Darüber hinaus führte eine experimentell induzierte Verschiebung des pH-Wertes zu erheblichen Änderungen der aktiven methylotrophen Gemeinschaft, was darauf hindeutet, dass der pH-Wert des Bodens ein entscheidender nischenbestimmender Faktor für die detektierten Methanolnutzer ist. Unter pH-neutralen, aber dennoch methylotrophen Bedingungen wurden Bacteroidetes (Flavobacteriaceae), Actinobacteria (Microbacteriaceae) und Betaproteobacteria (Methylophiliaceae) sowie die Hefe Trichosporon als Methanolnutzer identifiziert. Aus den dargestellten Ergebnisse lässt sich schlussfolgern, (i) dass acidotolerante methylotrophe Rhizobiales, vor allem Beijerinckiaceae, die Hauptsenke von Methanol in dem untersuchten sauren Waldboden waren; (ii) dass Methylotrophen des untersuchten Waldbodens nur ein limitiertes Substratspektrum besitzen, das Methan, Methanol und Chlormethan umfasst; (iii) dass der pH-Wert des Bodens ein entscheidender Faktor ist, der die ökologische Nische dieser Mikroorganismen bestimmt; und (iv) dass saprotrophe Pilze und andere Bakterien in dem untersuchten Waldboden trophisch eng mit Methylotrophen verbunden sind.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/4(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Microbiology, Biogeochemistry, Soil sciences, Ecology
Keywords: Soil microbes
Publication Number: 27600481
ISBN: 9781687900111
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