Culture dependent and -independent identification of microorganisms on monuments

In 3.8 Milliarden Jahren Evolution haben Mikroorganismen gelernt sich an alle moglichen Substrate auf der Erde anzupassen (Bunyard et al., 1996). Neben den chemischen und physikalischen Faktoren spielen Mikroorganismen eine entscheidende Rolle bei der biologischen Zerstorung unserer Kulturguter. Historische Gebaude, Skulpturen und andere Kunstartefakte aus Stein, sowohl historische und moderne werden von Mikroorganismen (Bakterien, Archaea, Pilze, Algen, Flechten, Mose, Pflanzen und hoheren Tieren) besiedelt (Ettenauer et al., 2010; Pinar et al., 2001a and 2001b; Heyrman et al., 1999; Schabereiter-Gurtner, 2000; Schabereiter-Gurtner et al., 2001a, 2001b and 2001c). Um unsere Kulturguter zu schutzen und fur unsere Nachkommen zu erhalten, ist es wichtig diese Mikroorganismen zu identifizieren und zu verstehen. Es ist notwendig deren Ursprung, ihre metabolischen Aktivitaten, ihr Einfluss und den Mechanismus der biologischen Zerstorung, die Strukturen der mikrobiellen Gemeinschaften und nicht zu Letzt auch deren Fahigkeiten, die genutzt werden konnen um diese Kunstobjekte zu schutzen, naher zu untersuchen. In vielen Studien wurden die unterschiedlichsten Materialien mit verschiedensten Methoden, die man in Kultivierungs-abhangige und –unabhangige Methoden einteilen kann, untersucht. Mit den unterschiedlichen Techniken erhalt man nicht immer koharente Daten. Generell kann man durch Kultivierung nur etwa 1% der Bakterien einer Umweltprobe identifizieren (Amann et al., 1995; Ward et al., 1990). Trotzdem kann man nur mit Hilfe von Kultivierungsversuchen die metabolischen und physiologischen Eigenschaften von Reinkulturen untersuchen. Die Verwendung von molekularen Methoden erlaubt eine Identifizierung von Mikroorganismen und die kontinuierliche Uberwachung von mikrobiellen Gemeinschaften auf Kunstobjekten (Schabereiter-Gurtner et al., 2001b). Die Methodik die bei dieser Diplomarbeit zur Anwendung kam, besteht aus der Extraktion von DNA aus dem Probenmaterial, gefolgt von der Amplifizierung von Fragmenten der ribosomalen RNA Gene von Bakterien und Archaea durch PCR (Polymerase Ketten Reaktion) und der weiteren Analyse durch DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophosesis). Zusatzlich wurden Techniken, wie die konventionelle Kultivierung von Mikroorganismen, RAPD (Rapid Amplified Polymorphic DNA), die Konstruktion und die Analyse von Klon-Bibliotheken und die phylogenetische Identifizierung der Mikroorganismen durch 16S rDNA Sequenzierung angewendet. Die Proben der drei durchgefuhrten Projekte dieser Diplomarbeit, stammten von der Virgilkapelle in Wien und von zwei historischen Gebauden aus Granada (Spanien) – dem Kloster von San Jeronimo und dem Koniglichen Hospiz. Bei der Charakterisierung den Mikroorganismen, mit Fokus auf salzliebende/-tolerante Vertreter, von Proben der Wiener Kapelle, wurden klassische Kultivierungsversuche als auch molekulare Methoden verwendet. Durch die vergleichende Sequenzanalyse der isolierten Reinkulturen konnten die meisten Bakterien zu den Gattungen Halobacillus und Bacillus eingeordnet werden. Die Vertreter der Archaea waren am nahersten verwandt zu den Gattungen Halococcus, Halalkalicoccus und Halobacterium. Die Verwendung von Nahrmedien mit und ohne Kalziumkarbonat-produzierenden Bakterien als Festigungsmethode fur verwitternde Gesteine wurde in vielen Untersuchungen bereits positiv getestet (Rodriguez-Navarro et al., 2003; Jimenez-Lopez et al., 2007, 2008; Gonzalez-Munoz et al., 2008). Unter Laborbedingungen wurden die Veranderungen der Bakteriengemeinschaft auf verwittertem und ursprunglichem Steinen in einem Zeitraum von 30 Tagen untersucht, die eine Behandlung mit bzw. ohne Myxococcus xanthus erhielten. Auf beiden Gesteinen konnte man die gleichen Kalziumkarbonat-produzierenden Bakterien nachweisen, namlich Pseudomonas sp. , Bacillus sp. und Brevibacillus sp. Fur den Nachweis des als Biomineralisierungsagens verwendete Bakteriums, M. xanthus, uber den Zeitraum der Untersuchung wurden DGGE, konventionelle PCR und Real time PCR (qPCR) mit Spezies-spezifischen Primern verwendet. Die Spezies-spezifischen Primer wurden in dieser Studie von Dr. Guadalupe Pinar designt. Abschliesend wurde in dieser Diplomarbeit eine in situ Kurz- und Langzeit-Untersuchung an zwei historischen Gebauden in Granada (Spanien) durchgefuhrt. Beide Gebaude erhielten drei unterschiedliche Behandlungen, fur die Festigung des Gesteins. Mit Hilfe von molekularbiologischen Methoden konnte gezeigt werden, dass auf beiden Gebauden ahnliche Veranderungen in den bakteriellen Gemeinschaften durch die Behandlungen ausgelost wurden. In der ersten Woche der Behandlung wurden vor allem Vertreter der Stamme Firmicutes und Proteobakterien aktiviert, wohingegen nach einem Jahr die Ordnung der Bacillales (Firmicutes) dominierte.