title: Investigation of microbial groups involved in the uptake of atmospheric trace gases in upland soils
title: Untersuchung mikrobieller Gruppen beteiligt an der Aufnahme von atmosphärischen Spurengasen in upland soils
Creators: name: Pratscher, Jennifer
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Stabile Isotopenbeprobung
Methanstoffwechsel
Ammonium-monooxygenase
Methan-Monooxygenase
Stable isotope probing
Thaumarchaeota
CARD-FISH
Methane-monooxygenase
Ammonium-Monooxygenase
NiFe-Hydrogenase
Biowissenschaften, Biologie

description: Atmosphärischen Spurengasen kommt
      eine Führungsrolle in den derzeitigen klimatischen
      Veränderungen zu. Ein signifikanter Anteil am Austausch von
      atmosphärischen Spurengasen findet an der Schnittstelle
      zwischen Atmosphäre und „upland soils“ statt. Allerdings sind
      die für diese Dynamiken verantwortlichen Mikroorganismen
      nicht vollständig identifiziert und erforscht. Diese Arbeit
      befasst sich deshalb mit der Untersuchung mikrobieller
      Gruppen in terrestrischen Habitaten, die in die Aufnahme von
      atmosphärischen Spurengasen (CH4, CO2, H2) involviert sind,
      und zwar das potentiell atmosphärisches Methan oxidierende
      „upland soil cluster α“ (USCα), die autotrophen
      Ammonium-oxidierenden Archaeen (AOA) und die
      Wasserstoff-oxidierenden Streptomyzeten. Verschiedene
      Methoden wurden angewandt, um die Aufnahme von markiertem
      Substrat in diese mikrobiellen Gruppen zu untersuchen und die
      Expression ihrer funktionellen Marker-Gene zu analysieren.
      Dabei handelte es sich um pmoA für die hoch-affine
      membran-gebundene (partikuläre) Methan-Monooxygenase von
      USCα, amoA für die Ammonium-Monooxygenase der AOA und hydB
      für die hoch-affine [NiFe]-Hydrogenase von Streptomyces sp.
      PCB7. Trotz der Annahme, dass es sich bei dem “upland soil
      cluster α“ (USCα) in Waldböden um methanotrophe Bakterien
      handelt, die an atmosphärische Methan-konzentrationen
      angepasst sind und denen demnach eine grundlegende Rolle in
      der Aufnahme und Beseitigung dieses Treibhausgases aus der
      Atmosphäre zuteil wird, war noch ungeklärt, ob diese
      Mikroorganismen ihren gesamten Energie- und Kohlenstoffbedarf
      mit Methan decken können oder zusätzlich auf andere
      Kohlenstoffquellen angewiesen sind. Stabile Isotopenbeprobung
      wurde angewandt, um den Einbau von markiertem CH4 und Acetat
      in Nukleinsäuren von USCα zu untersuchen. Die Ergebnisse
      dieser Studie weisen darauf hin, dass USCα atmosphärisches
      CH4 möglicherweise nur als zusätzliche Energiequelle oder
      Überlebensstrategie nutzt, und stattdessen andere
      Kohlenstoffverbindungen, z.B. Acetat, zum Wachstum verwendet.
      Somit repräsentiert USCα eher fakultative als obligate
      Methanotrophe. Die Anwendung von CARD-FISH, spezifisch für
      pmoA Transkripte, ermöglichte zudem die erste Visualisierung
      von USCα in situ. Diese Resultate erweitern unseren
      Wissensstand und das Verständnis in Bezug auf „upland soils“
      als Senke für atmosphärisches Methan und die Mikroorganismen,
      die für diese Prozesse verantwortlich sind. Autotrophe
      Bakterien wurden lange Zeit alleinverantwortlich für die
      Ammonium-Oxidation gehalten. Doch inzwischen liegen zunehmend
      Studien vor, die auf eine zusätzliche Beteiligung von Archaea
      an diesem Prozess hinweisen. Allerdings war bis heute
      unbekannt, ob Ammonium-oxidierende Archaeen im Boden CO2
      assimilieren können und zu welchem Grad sie funktionell aktiv
      sind. Stabile Isotopenbeprobung von Nukleinsäuren unter
      Verwendung von 13CO2 demonstrierte eine aktive Beteiligung
      der Ammonium-oxidierenden Archaeen an der mikrobiellen
      Ammonium-Oxidation in einem Feldboden, verbunden mit
      autotropher CO2-Fixierung, vermutlich über den
      Hydroxypropionat-Hydroxybutyrat-Zyklus. CARD-FISH zeigte
      weiterhin den hohen Anteil und damit die große Bedeutung der
      archaeellen Ammonium-Oxidierer in der gesamten archaeellen
      Gemeinschaft in dieser Umgebung. Diese Resultate liefern neue
      Belege für die substanzielle Beteilung der nitrifizierenden
      Archaea an der Ammonium-Oxidation und CO2-Fixierung in
      terrestrischen Habitaten. Obwohl Wasserstoff als einer der
      wichtigsten Energieträger der Zukunft gilt, ist der globale
      biochemische Zyklus dieses Spurengases noch größtenteils
      unerforscht. Nach neueren Forschungsergebnissen scheinen eher
      Mikroorganismen als „freie“ Enzyme für die Aufnahme von
      atmosphärischem H2 im Boden verantwortlich zu sein. Die
      CARD-FISH Analyse in dieser Arbeit belegte, dass die
      hoch-affine H2 Aufnahme-Aktivität nicht im Myzelium, sondern
      in den Sporen von Streptomyzeten exprimiert wird. Dies zeigt
      die essentielle Bedeutung von H2-oxidierenden Streptomyzeten,
      oder Aktinobakterien im Allgemeinen, für die Aufnahme von
      atmosphärischem H2 in „upland soils“.
description: Atmospheric trace gases play a
      leading role in the changes occurring in the atmosphere at
      present, including climate change. A significant part of
      atmospheric trace gas fluxes occurs at the interface between
      atmosphere and upland soils. Unfortunately, the
      microorganisms in charge of these dynamics are not fully
      understood. This thesis therefore focuses on the
      investigation of microbial groups in terrestrial
      environments, responsible for or proposed to be involved in
      the uptake of atmospheric trace gases (CH4, CO2, H2), namely
      the potential atmospheric methane oxidizer upland soil
      cluster α (USCα), the autotrophic ammonia oxidizing archaea
      (AOA), and the hydrogen oxidizing streptomycetes. Several
      methods were tested to investigate the incorporation of
      labeled substrate and to monitor the expression of their
      functional marker genes, pmoA for the high-affinity
      particulate methane monooxygenase of USCα, amoA for the
      ammonia monooxygenase of AOA, and hydB for the high-affinity
      [NiFe]-hydrogenase of Streptomyces sp. PCB7. Although the
      upland soil cluster α (USCα) in forest soils is assumed to
      represent methanotrophic bacteria adapted to the trace level
      of atmospheric methane and to play an essential part in the
      removal of this greenhouse gas from the atmosphere, so far it
      is unclear whether these microorganisms are able to obtain
      all their energy and carbon solely from CH4 or use additional
      carbon compounds. Stable isotope probing was applied to
      investigate incorporation of labeled CH4 and acetate into
      nucleic acids of USCα. The results of this study indicate
      that USCα might only use atmospheric CH4 as an additional
      energy source or survival strategy, but utilizes additional
      carbon compounds, such as acetate, for growth suggesting the
      USCα represents rather facultative than obligate
      methanotrophs. Furthermore, CARD-FISH of pmoA transcripts
      visualized USCα in situ for the first time. These findings
      promote the knowledge and understanding of upland soils as a
      sink for atmospheric methane and the microorganisms proposed
      to be responsible for this process. While for a long time
      autotrophic bacteria were believed to be solely responsible
      for the process of ammonia oxidation, there is now increasing
      evidence that also Archaea are involved. But to date it
      remained elusive whether ammonia oxidizing archaea in soil
      can assimilate CO2 and to what extent they are functionally
      active. Stable isotope probing of nucleic acids using 13CO2
      showed that ammonia oxidizing archaea were actively involved
      in microbial ammonia oxidation in an agricultural soil and
      did fix CO2 autotrophically, presumably via the
      hydroxypropionate-hydroxybutyrate cycle. CARD-FISH further
      demonstrated the numerical importance of the archaeal ammonia
      oxidizers to the overall archaeal community in this
      environment. These results give novel evidence that the
      contribution of nitrifying Archaea to ammonia oxidation and
      CO2 fixation in terrestrial environments might be
      substantial. Although hydrogen is considered to be one of the
      most important future energy carriers, little is known about
      the global biogeochemical cycle of this trace gas. Previous
      findings indicate that microorganisms rather than free soil
      enzymes are responsible for the uptake of atmospheric H2 in
      soils. In this thesis, CARD-FISH analyses demonstrated that
      streptomyces spores instead of the mycelia expressed the
      high-affinity H2 uptake activity. This suggests that
      H2-oxidizing streptomycetes, or actinobacteria in general,
      are essential for the uptake of atmospheric H2 in upland
      soils.