Struktur Und Funktion Von Fermentierern Und Methanogenen in Einem Sauren Niedermoor

Abstract

Feuchtgebiete besitzen ca. 30% des globalen Kohlenstoffvorrats von Böden, sind charakterisiert durch dynamische O₂-Gradienten und temporär vernachlässigbare Konzentrationen von anorganischen Elektronenakzeptoren, wie Sulfat und Nitrat. Sie sind eine der größten globalen CH₄-Quellen. Bedeutende mikrobielle Prozesse sind Fermentation und Methanogenese. Daher war das Ziel dieser Arbeit (i) abundante fakultativ aerobe und/oder obligat anaerobe Fermentierer, (ii) Xylose- und Glucose-verwertende Fermentierer, (iii) Intermediate im Kohlenstofffluss zu CH₄ und (iv) aktive gemäßigt säuretolerante Archaea in einem nördlichen temperaten, sauren Niedermoor zu identifizieren.

Die Diversität und Struktur-Funktionsbeziehungen von Bacteria und Archaea, d. h. vor allem Fermentierern und Methanogenen, eines gemäßigt sauren Niedermoores wurden durch Anreicherung, Isolierung, 16S rRNA stable isotope probing (SIP) und 16S rRNA Genanalysen (Denaturierende Gradienten Gelelektrophorese [DGGE], Terminale- Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus [T-RFLP]- Analyse und Genbibliotheken) abgeschätzt. Säure-tolerante Enterobacteriaceae-, Burkholderiaceae- und Pseudomonadaceae-verwandte Arten wurden aus dem Niedermoor isoliert. Arten von Neisseriaceae, Enterobacteriaceae, Bacteroidetes, Pseudomonadaceae, Hydrogenophilaceae und Clostridia wurden in Anreicherungskulturen aus seriellen Verdünnungen mit Moorboden identifiziert. In den Anreicherungskulturen wurden große Mengen an Fermentationsprodukten detektiert (z. B. Acetat, Butyrat und Formiat), was darauf hindeutet, dass Säuretolerante, abundante fakultative Aerobier und obligate Anaerobier verantwortlich für Fermentation im Niedermoor sind. Es wurden fakultativ anaerobe potentiell neue Arten der Familien Enterobacteriaceae und Burkholderiaceae isoliert.

16S rRNA SIP identifizierte aktive Xylose- and Glucose-fermentierende Bacteria und aktive Archaea, inklusive Methanogene, in anoxischen Bodenaufschlämmungen. Ethanol, Xylose und Glucose wurden zu Fettsäuren, CO₂, H₂ und CH₄ unter gemäßigt sauren Bedingungen umgebaut, was darauf hindeutet, dass im Niedermoor gemäßigt säure-tolerante Ethanol-, Xylose- und Glucoseverwertende Fermentierer, sowie gemäßigt säure-tolerante Methanogene vorkommen. Da die Organismen der Acidaminococcaceae, Pseudomonadaceae, Aeromonadaceae, Clostridiaceae, Enterobacteriaceae und Actinomycetales aus Xylose- oder Glucose-gewonnenen Kohlenstoff verwerteten, tragen diverse fakultative Aerobier und obligate Anaerobier zum Kohlenstofffluss unter anoxischen Bedingungen im Niedermoor bei. Dass bislang unkultivierte Euryarchaeota (wie Methanosarcinaceae, Methanobacteriaceae) und Crenarchaeota durch 16S rRNA Analyse in anoxischen Bodenaufschlämmungen identifiziert wurden, zeigte, dass im gemäßigt sauren Niedermoor neue Arten von Methanogenen und Crenarchaeota vorkommen, die zu anaeroben Wachstum fähig sind.

16S rRNA Gen Analysen zeigten, dass die Diversität der Bacteria größer war als die der Archaea. Im Vergleich von Bacteria- und Archaea- 16S rRNA Genbibliotheken 6 verschiedener Probenahmestandorte und 4 verschiedener Tiefenzonen (0-10, 10-20, 20-30, 30-40 cm) wurde keine signifikant unterschiedliche Diversität detektiert. Im Gegensatz dazu zeigten „fingerprinting“ Methoden (DGGE, TRFLP) eine heterogene Verteilung der Bacteria- und Archaea- 16S rRNA Gene. Die Identifikation der 16S rRNA Gene zeigte eine phylogenetisch diverse Gemeinschaft innerhalb der Bacteria (z. B. Alpha-, Beta-, Delta-, Gammaproteobacteria, Acidobacteria, Bacilli und Clostridia) und Archaea (Thermoplasmatales, Crenarchaeota und Methanobacteriales).

Zusammenfassend zeigten die Untersuchungen, dass säuretolerante, abundante und phylogenetisch diverse fakultativ Aerobe und obligat Anaerobe im Niedermoor räumlich heterogen sind, die wahrscheinlich am Kohlenstoffumsatz im Niedermoor beteiligt sind. Dabei treiben die aus Fermentation hervorgegangenen Moleküle hauptsächlich Methanogenese an, wenn keine anderen Elektronenakzeptoren als CO₂ vorkommen. Im Niedermoor kommen vor allem Xylose- und Glucose- verwertende fakultative Aerobe und obligate Anaerobe vor, die trophisch mit potentiell neuen gemäßigt säuretoleranten Methanogenen verknüpft sind.

Alternate abstract:

Wetlands harbor approximately 30% of the global reserves of soil carbon, are characterized by highly dynamic O₂-gradients and temporarily negligible concentrations of inorganic electron acceptors, such as sulfate or nitrate, and are one of the most important global CH₄ sources. The main microbial processes are fermentation and methanogenesis. Thus, the objectives of this study were to identify (i) abundant facultative aerobic and/or obligate anaerobic fermenters (ii) xylose- and glucose-utilizing fermenters, (iii) intermediates in the carbon flow to methane, (iv) active moderately acid-tolerant Archaea, and (v) distribution of Bacteria and Archaea in a northern temperate moderately acidic fen.

The diversity and structure function relationships of Bacteria and Archaea, i.e. fermenters and methanogens, of an acidic fen were assessed by enrichment, isolation, 16S rRNA stable isotope probing (SIP) and 16S rRNA gene analyses (denaturing gradient gel electrophoresis [DGGE], terminal restriction fragment length polymorphism [T-RFLP], and clone libraries). Acid-tolerant Enterobacteriaceae-, Burkholderiaceae-, and Pseudomonadaceae-related species were isolated from the fen. Members of Neisseriaceae, Enterobacteriaceae, Bacteroidetes, Pseudomonadaceae, Hydrogenophilaceae, and Clostridia were identified in enrichments from serial dilutions of fen soil producing high amount of fermentation products (i. e. acetate, butyrate, and formate), indicating that acid tolerant, abundant facultative aerobes and obligate anaerobes potentially facilitated fermentation in the fen. Facultative anaerobic potentially new species of the families Enterobacteriaceae and Burkholderiaceae were isolated.

16S rRNA-based stable isotope probing (16S rRNA-SIP) identified active xylose- and glucose-fermenting Bacteria and active Archaea, including methanogens, in anoxic slurries of material obtained from a moderately acidic, CH₄- emitting fen. Ethanol, xylose, and glucose were converted to fatty acids, CO₂, H₂, and CH₄ under moderately acidic, anoxic conditions, indicating that the fen harbors moderately acid-tolerant ethanol-, xylose-, and glucose-using fermenters, as well as moderately acid-tolerant methanogens. Members of Acidaminococcaceae, Pseudomonadaceae, Aeromonadaceae, Clostridiaceae, Enterobacteriaceae, and Actinomycetales utilized xylose- or glucose-derived carbon, suggesting that highly diverse facultative aerobes and obligate anaerobes contribute to the flow of carbon in the fen under anoxic conditions. Uncultured Euryarchaeota (i.e., Methanosarcinaceae, Methanobacteriaceae) and Crenarchaeota were identified by 16S rRNA analysis in anoxic slurries, demonstrating that the acidic fen harbors novel methanogens and Crenarchaeota capable of anaerobiosis.

16S rRNA gene analyses revealed a higher diversity within the Bacteria than the Archaea, but within the domains similar species numbers were detected in comparison of 16S rRNA genes from 6 sampling sites and 4 depth layers (0-10, 10- 20, 20-30, 30-40 cm) within the fen. Identification of bacterial and archaeal 16S rRNA genes revealed highly diverse communities in these sampling sites and depth layers. However, DGGE and T-RFLP analysis revealed a heterogeneous distribution of detected phylogenetic groups. Different members within the Bacteria (e.g., Alpha-, Beta-, Delta-, Gammaproteobacteria, Acidobacteria, Bacilli, and Clostridia), and Archaea (i.e. Thermoplasmatales, Crenarchaeota, and Methanobacteriales) were detected.

These collective approaches showed that acid-tolerant, abundant, and phylogenetically diverse facultative aerobes and obligate anaerobes are spatially heterogenic distributed, indicating that are likely involved in the turnover dynamics of carbon in this moderately acidic fen. Fermentation-derived molecules are conceived to be the primary drivers of methanogenesis when electron acceptors other than CO2 are absent, and the collective findings of this study indicate that fen soils harbor diverse xylose- and glucose-utilizing facultative aerobes and obligate anaerobes that form trophic links to potentially novel moderately acid-tolerant methanogens.