title: Methanogenic communities enduring different stress conditions
title: Methanogene Lebensgemeinschaften unter Stressbedingungen
Creators: name: Aschenbach, Katrin
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: microbial community
Mikrobielle Gemeinschaft
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
Archaeen
Methyl-coenzyme M reductase
drying-rewetting
methanogen

description: Methan spielt in anoxischen
      Habitaten eine wichtige Rolle als finales Endprodukt beim
      anaeroben Abbau von organischem Material. Ein Beispiel für
      anoxische Habitate sind geflutete Lebensräume, wie
      Reisfeldböden. In diesen Böden entsteht Methan durch die im
      Boden lebenden methanogenen Mikroorganismen und wird primär
      aus Acetat oder Kohlenstoffdioxid in Verbindung mit
      Wasserstoff gebildet. Die Anpassungen der Diversität und der
      Aktivität der methanogenen Gemeinschaft an verschiedene
      Wassergehalte im Boden, besonders nach einer Austrocknung,
      wurden bisher nicht ausreichend untersucht. Mit der
      vorliegenden Arbeit wurde deshalb der Einfluss von
      verschiedenen Wassergehalten bei zwei verschiedenen
      Reisfeldböden (philippinischer und italienischer Herkunft)
      mittels klassischer Analysen (GC; HPLC; GC-IRMS) sowie
      molekularbiologischen Methoden (qPCR, T-RFLP des archaeellen
      16S-rRNA-Gen und Sequenzierung der mcrA-Transkripte)
      analysiert. Die Methanogenese korrelierte dabei positiv mit
      der Höhe des Wassergehalts. Für eine nachweisbare
      Methanproduktion wurde eine Wasserverfügbarkeit von
      mindestens 40 % der maximalen Wasserhaltefähigkeit des Bodens
      benötigt, während die Kohlenstoffdioxidemission bereits bei
      17 % anstieg. Dies deutet darauf hin, dass die Freisetzung
      von Kohlenstoffdioxid aus verschiedenen Fermentationen bei
      sehr niedriger Bodenfeuchtigkeiten möglich ist und die
      Bildung von Methan höhere Bodenfeuchtigkeiten benötigt. Die
      Daten der stabilen Kohlenstoffisotopenfraktionierung weisen
      darauf hin, dass hydrogenotrophe Methanogenese bei allen
      Feuchtigkeitsstufen zu Beginn der Inkubationen dominierte,
      allerdings ist diese bei niedrigen Wasserverfügbarkeiten
      stark beeinträchtigt. Die initiale Methanproduktion wechselte
      bei einer geringeren Wiederbefeuchtung schneller von
      hydrogenotroph zu acetiklastisch als bei völlig gefluteten
      Inkubationsproben. Die Veränderung des Wassergehalts zeigte
      nur einen geringen Einfluss auf die Populationsdynamik der
      methanogenen Lebensgemeinschaft. Die Anpassung an die
      unterschiedlichen Feuchtigkeitsstufen erfolgte durch
      Aktivitätsänderungen bestimmter methanogenen Archaeen in der
      Gemeinschaft. Durch die Sequenzierung der mcrA-Transkripte
      konnten einzelne Familien der Methanogenen dargestellt
      werden. Hier zeigte sich, dass Methanosarcinaceae bei
      niedrigen Wasserverfügbarkeiten stärker aktiv waren als bei
      völliger Flutung des Bodens. Generell stieg die Anzahl der
      mcrA-Transkripte und somit die methanogene Aktivität bereits
      durch eine leichte Erhöhung des Feuchtigkeitsgehalts an. Im
      philippinischen Reisfeldboden verdoppelten sich die
      Kopienzahlen und im italienischen Reisfeldboden stiegen die
      mcrA-Transkripte um das 100-fache im Boden mit bereits
      niedrigen Wasserverfügbarkeiten an. In feuchteren
      Inkubationsproben wurden maximale mcrA-Transkriptmengen von
      10^8 bis 10^9 pro Gramm Boden nachgewiesen. Die
      mcrA-Transkriptmengen im philippinischen Boden waren stets
      etwas niedriger als die im italienischen Reisfeldboden,
      obwohl die Methanproduktionsraten im philippinischen Boden
      etwa doppelt so hoch waren wie im italienischen
      Reisfeldboden. Grundsätzlich war die Diversität im Boden auf
      DNA-Ebene jedoch unempfindlich auf Austrocknung und
      Wiederbefeuchtung. Mit den Experimenten konnte somit gezeigt
      werden, dass der anaerobe Abbau von organischem Material in
      Reisfeldböden keine vollständige Flutung benötigt. Allerdings
      verändert sich die Aktivität der methanogenen Gemeinschaft
      unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen. In einer
      zweiten Versuchsreihe wurde der Einfluss von einem bewegten
      System (gerollt, geschüttelt oder magnetisch gerührt) im
      Vergleich zu einem statischen System auf die Methanproduktion
      analysiert. In den drei untersuchten Umweltsystemen
      (Faulschlamm, Flusssediment, Reisfeldboden) war der
      Unterschied in den bewegten Systemen wenig markant im
      Vergleich zum statischen System. In einigen Fällen war die
      Methanproduktion in den bewegten Systemen vermindert oder
      erreichte eine ähnliche Größenordnung wie im statischen
      System. Die Ergebnisse belegen, dass die Methanogenen wenig
      in ihrer Aktivität beeinflusst wurden und die gewählte
      Bewegungsintensität nicht ausreichte, um die syntrophe
      Beziehung der Methanogenen zu schädigen. Dennoch konnte im
      statischen System der Reisfeldbodeninkubationen die höchste
      Diversität beobachtet werden, was einen Effekt auf die
      Zusammensetzung der methanogenen Gemeinschaft im
      Reisfeldboden vermuten lässt. Die Ergebnisse waren dahin
      gehend sehr stark von den gewählten Umweltsystemen abhängig.
      Die unterschiedlichen Ergebnisse der Umweltsysteme sollten
      daher in ihrer positiven oder negativen Wirkung des
      mechanischen Stresses differenziert betrachtet
      werden.
description: Methane plays an important role in
      anoxic habitats as a final product in the anaerobic
      decomposition of organic material. An example of anoxic
      habitats are flooded habitats, such as rice fields. In these
      soils, methane is produced by the methanogenic microorganisms
      and is formed primarily from acetate or carbon dioxide in
      combination with hydrogen. The adaptations of diversity and
      activity of the methanogenic community have not been
      sufficiently investigated under different water levels in the
      soil. Therefore, this study focused on the influence of
      different water levels on two different rice fields
      (Philippine and Italian origin) using classical analyzes (GC,
      HPLC, GC-IRMS) as well as molecular biological methods (qPCR,
      T-RFLP and Sequencing). Methanogenesis correlated positively
      with the water content. For a detectable methane production a
      water availability of at least 40% of the maximal water
      retention capacity of the soil was needed, while the carbon
      dioxide emission already increased by 17%. It is suggested
      that the release of carbon dioxide from different
      fermentations is possible at low soil moistures and the
      formation of methane requires higher soil moistures. The
      stable carbon isotope fractionation data indicated that
      hydrogenotrophic methanogenesis dominated at the beginning of
      the incubation for all the incubations with different
      moisture levels. The initial methane production changed
      faster from hydrogenotrophic to aceticlastic in the
      incubations with low soil moisture conditions than in
      completely flooded incubation. The change in water content
      showed only a small influence on the population dynamics of
      methanogenic community. Adaptation to the different moisture
      levels was achieved by a change in the activity of certain
      methanogenic archaea. High-throughput sequencing reveals that
      there were mcrA transcripts of different methanogenic
      families present. Methanosarcinaceae dominated in the
      transcriptional active methanogenic community under low water
      levels. In general, the number of mcrA transcripts and thus
      the methanogenic activity increased by a slight increase of
      the moisture content. The mcrA transcripts in the Philippine
      rice field doubled, and the mcrA transcripts in the Italian
      rice field increased by 100 times in the soil with a low
      moisture increase. Completely flooded incubation samples
      reached mcrA transcript levels from 10^8 to 10^9 per gram of
      dry soil. The mcrA transcript levels in the Philippine soil
      were always somewhat lower than those in the Italian rice
      field soil, although the methane production rates in the
      Philippine soil were about twice as high as in the Italian
      rice field soil. However, the diversity in the soil at the
      DNA level was insensitive to dehydration and rewetting. The
      experiments have thus shown that the anaerobic decomposition
      of organic material in rice field soils did not require
      complete flooding. However, the activity of the methanogenic
      community changed under different moisture levels. In a
      second series of experiments, the influence of a moving
      system (rolled, shaken or magnetically stirred) on
      methanogenesis was analyzed compared to a static control. In
      the three investigated environmental systems (digested
      sludge, river sediment, rice field soil) the difference of
      methane emission in the moving systems was not significant
      compared to the static control. In some cases, the methane
      production in the moving systems reduced or reached a similar
      order of magnitude as in the static control. The results show
      that the moving system had little influence on the
      methanogenic activity, and the chosen rate of motion was not
      sufficient to damage the syntrophic relationship of the
      methanogens. Nevertheless, the highest diversity was observed
      in the static control of the rice field soil incubations,
      suggesting the effect on the diversity composition of
      methanogenic community in the rice field soil. The results
      were deeply dependent on the chosen environmental systems.
      The effect of mechanical stress on the methanogenic community
      needed further investigation.