Dissertation/Thesis Abstract

Trophic Interactions of a Chitin-Degrading Microbiome of an Aerated Agricultural Soil
by Wieczorek, Adam Simon, Dr.Nat., Universitaet Bayreuth (Germany), 2019, 186; 27628204
Abstract (Summary)

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.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/5(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Microbiology, Biogeochemistry, Soil sciences
Keywords: Soil microbes
Publication Number: 27628204
ISBN: 9781392609774
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