Untersuchung der Energie- und Nährstoffflüsse mikrobieller Gemeinschaften

Abstract

The activity of microorganisms was heavily investigated using the incorporation of stabile isotopes in the last decade. Here, all biomolecules but predominantly DNA, RNA, proteins and phospholipid derived fatty acids are used to trace the label in the biomass of active microbes. Thereby, the phylogenetic information decreases from DNA and RNA to proteins whereas the latter allow to describe the actual phenotype. In this work, protein stable isotope probing (protein-SIP) was applied to two different microbial systems: (a) the anaerobic mineralization of benzene and (b) the assimilation of plant-derived organic matter in soil. Labeling of the secondary metabolism of the benzene-mineralizing and sulfate-reducing community using 13C2-acetate: The well-described microbial community enriched from the Zeitz aquifer was fed with the postulated and fully 13C-labeled intermediate of syntrophic benzene fermentation, acetate, to unveil detailed secondary utilization processes. Additional acetate amended to the ongoing benzene mineralization showed no influence on sulfide produced by sulfate reduction. Instead, labeled acetate was incorporated by Campylobacterales, Syntrophobacterales, Archaeoglobales, Clostridiales and Desulfobacterales in descending order. The epsilonproteobacterial Campylobacterales featured the fastest and the highest 13C-incorporation to confirm previous metagenome-based studies and to assign a physiological role to this phylotype of the community for the first time. Metagenome based labeling of the secondary metabolism of the benzene-mineralizing and sulfate-reducing community: In this study, the population genome of the primary acetate utilizer was reconstructed from the metagenome of the benzene mineralizing community obtained by whole-genome shotgun sequencing. Genomic DNA originated from a starvation enrichment culture previously metabolizing m-xylen and enriched in the identical epsilonproteobacterial phylotype of this community. The presence of the sulfide quinone oxidoreductase (sqr) and the polysulfide reductase (psr) suggested a key role in sulfur cycling. Hence, the epsilonproteobacterial phylotype is able to oxidize otherwise toxic sulfid produced by sulfate reduction to polysulfide via SQR and its subsequent reduction to sulfide via PSR. Further, the detection of an acetate transporter (actP) and the acetyl-CoA synthetase (acsA) for acetate activation approved direct assimilation as shown in the previous study. Short-term assimilation of plant-derived organic matter in soil: In this protein-SIP study, the short-term assimilation of plant-derived organic matter in soil was demonstrated using 15N-labeled tobacco for the first time. In contrast to the postulated model in which fungi degrade plant-derived complex compounds and secrete low molecular weight compounds which are then degraded by bacteria, our study demonstrated the dominance of bacteria over fungi during the short-term assimilation of plant-derived organic matter. Bacteria outcompete fungi for the easy available plant-derived compounds until complex compounds such as cellulose and lignin are enriched and degraded by slow growing fungi. The use of multiOMIC techniques resulted in a multidimensional scheme to easily group and categorize different behaviours of microorganisms.

Die Aktivität von Organismen in komplexen, mikrobiellen Gemeinschaften wurde in den letzten Jahrzehnten vermehrt durch den Einbau stabiler Isotope in die Biomasse aktiver Spezies untersucht. Der Isotopeneinbau kann in allen Biomolekülen, aber hauptsächlich in DNA, RNA, Proteinen und Phospholipidfettsäuren nachverfolgt werden. Hierbei nimmt die phylogenetische Information, der Genotyp, ausgehend von der DNA über die RNA hin zu den Proteinen ab, wohingegen der Phänotyp maßgeblich durch die Proteine geprägt wird. Folglich liefert die Untersuchung von DNA und RNA präzisere phylogenetische Daten, während Proteine genauere Aussagen über den tatsächlichen Zustand im System erlauben. In dieser Arbeit wurde die Markierung mit stabilen Isotopen (13C und 15N) in Proteinen (Protein-SIP) für zwei grundsätzlich verschiedene mikrobielle Gemeinschaften angewandt: (a) Die Benzolmineralisation einer sedimentären Gemeinschaft, die aus einem anaeroben Grundwasseraquifer angereicht wurde sowie (b) die kurzzeitige und aerobe Assimilation von Pflanzenmaterial im Boden. Markierung des Sekundärstoffwechsels einer benzolmineralisierenden und sulfatreduzierenden, mikrobiellen und in Zeitz angereicherten Gemeinschaft mittels 13C2-Acetat: Die seit 2007 untersuchte und aus Zeitz angereicherte mikrobielle Gemeinschaft wurde mit dem zuvor postulierten Hauptintermediat der syntrophen Benzolmineralisation, Acetat, inkubiert. Das Substrat wurde vollständig 13C-markiert in geringen Mengen zugegeben, um den sekundären Abbau während verschiedener Stadien des Benzolabbaus aufzuschlüsseln. Es wurde demonstriert, dass zusätzlich zur Benzolmineralisation zugegebenes Acetat keinen Einfluss auf das Ausmaß der Sulfidbildung als Endprodukt der Sulfatreduktion hat. Stattdessen wird Acetat in absteigender Reihenfolge von den Campylobacterales, den Syntrophobacterales, den Archaeoglobales, den Clostridiales und den Desulfobacterales assimiliert. Die epsilonproteobakteriellen Campylobacterales zeigten den schnellsten und höchsten Einbau, wodurch zuvorige metagenombasierende Studien bestätigt und den Epsilonproteobakterien dieser Gemeinschaft erstmals eine physiologische Rolle gegeben werden konnte. Physiologie des primären Acetatverwerters einer benzolmineralisierenden und sulfatreduzierenden, mikrobiellen und in Zeitz angereicherten Gemeinschaft: In dieser Studie wurde das Genom des primären Acetatverwerters aus dem vollständigen Metagenom der benzolmineralisierenden mikrobiellen Gemeinschaft rekonstruiert. Die genomische DNA stammte aus einer Hungerkultur des gleichen Aquifers, die zuvor auf m-Xylen wuchs und eine Anreicherung des epsilonproteobakteriellen Phylotyps dieser Gemeinschaft aufzeigte. Die Präsenz der Sulfidquinonoxidoreduktase (sqr) und der Polysulfidreduktase (psr) suggeriert eine Schlüsselrolle im Schwefelzyklus. Das Epsilonproteobakterium ist in der Lage, das aus der Sulfatreduktion des Sekundärstoffwechsels entstandene und toxische Sulfid mittels SQR zu Polysulfid zu oxidieren und anschließend mittels PSR zu reduzieren. Die in der zuvorigen Studie demonstrierte direkte Acetatassimilation wurde durch die Detektion eines Acetattransporters (actP) und der Acetyl-CoA Synthetase (acsA) zur Acetataktivierung bestätigt. Kurzzeitige Assimilation von 15N-markiertem Pflanzenmaterial im Boden: In dieser Protein-SIP Studie wurde die Assimilation von Pflanzenmaterial im Boden erstmals mittels 15N-markiertem Tabak gezeigt. Gegensätzlich zu der bisher vorherrschenden Annahme, dass Pilze die aus den Pflanzen stammenden, komplexen Verbindungen wie Cellulose und Lignin abbauen und niedermolekulare Verbindungen abgeben, die anschließend von Bakterien metabolisiert werden, wurde gezeigt, dass Bakterien die dominanten Organismen während der kurzzeitigen Assimilation von Pflanzenmaterial sind. Die in den Pflanzen enthaltenen, niedermolekularen Verbindungen werden zunächst von den Bakterien genutzt bis die komplexen Verbindungen angereichert und von den langsam wachsenden Pilzen umgesetzt werden. Die Verwendung von multiOMIK-Techniken resultierte in einem multidimensionalen Schema, dass die Gruppierung und Kategorisierung unterschiedlicher Verhaltensweisen von Mikroorganismen ermöglicht.