title: Microbial redox cycling of iron in Lake Grosse Fuchskuhle
title: Mikrobielles Redox Cycling von Eisen im See
Creators: name: Kanaparthi, Dheeraj
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Redox-Cycling
Biowissenschaften, Biologie
tm3 actinobacteria
Eisen

description: Peatlands constitute &gt;3% of the
      Earth’s terrestrial area but store approximately one third of
      global soil organic carbon. Although peatlands act as sinks
      for atmospheric carbon, they are net emitters of greenhouse
      gasses, like CH4 and N2O, into the atmosphere. Hence, most of
      the studies conducted on peatlands focused on methanogenesis
      and the role of environmental factors influencing this
      process and very few studies focused on other
      electron-accepting processes. Recent studies have shown
      indications that Fe(III) reduction could be playing an
      important role in the mineralization of organic carbon in
      mildly acidic peat bogs. However, this process in peatlands
      has not been well investigated. In the first part of the work
      the role of Fe(III) reduction and methanogenesis as
      electron-accepting processes was investigated. Unlike the
      earlier hypothesis of sequential reduction of electron
      acceptors according to their redox potentials in sediments, a
      simultaneous reduction of Fe(III) and methanogenesis was
      observed in the sediment of Lake Grosse Fuchskuhle.
      Quantitative comparison of these processes showed that
      Fe(III) reduction is the dominant organic matter
      mineralization process compared to methanogenesis during the
      course of the incubations. After an initial Fe(III) reduction
      a fluctuating Fe(II) concentration was observed during the
      course of our incubation indicating a continuous anaerobic
      Fe(II) oxidation and reduction in this sediment. Following
      the above results, the second part of the work focused on
      identifying, enriching and characterizing microorganisms
      involved in anaerobic nitrate-dependent Fe(II) oxidation.
      These investigations indicated the chemolithotrophic
      nitrate-dependent Fe(II)-oxidizing nature of TM3
      Actinobacteria and that these organisms could be involved in
      mediating anaerobic oxidation of Fe(II) in the sediment.
      Previous culture-independent studies had shown a widespread
      distribution of these Actinobacteria in natural environments
      and were hypothesized to be contributing to ecologically
      important processes; however, the physiological capabilities
      of these microorganisms remained unknown. To the best of our
      knowledge this is the first study to show the autotrophic
      nitrate-dependent Fe(II)-oxidizing nature of TM3 group of
      uncultured Actinobacteria. The third part of the thesis deals
      with the role of humic substances in abiotic and microbial
      Fe(II) oxidation. Despite the fact that Fe(II) is
      predominantly present in natural environments as chelated to
      humic substances, the role of humic substances in mediating
      Fe(II) oxidation has not been elucidated. Our findings
      indicate that the presence of humic substances could be
      beneficial for microorganisms oxidizing Fe(II) due to reduced
      abiotic Fe(II) oxidation and also possibly due to an
      increased energy yield caused by a lowering of the redox
      potential of chelated Fe(II) compared to free Fe(II).
      Estimations of nitrate-dependent Fe(II)-oxidizing
      microorganisms from Lake Grosse Fuchskuhle sediment using a
      cultivation-based approach showed a two-order of magnitude
      higher number of chemolithotrophic nitrate-dependent
      Fe(II)-oxidizing microorganisms when including humic
      substances in the growth medium. The incubations of sediment
      under chemolithotrophic nitrate-dependent Fe(II)-oxidizing
      conditions showed the enrichment of microorganisms belonging
      to the genus Thiomonas. Further characterization of these
      enrichments provided preliminary evidence of a
      chemolithotrophic nitrate-dependent Fe(II)-oxidizing
      capability of these Thiomonas strains. Lastly, Thiomonas
      arsenivorans strain 3As was tested for chemolithoautotrophic
      nitrate-dependent Fe(II) oxidation since the presence of all
      the genes required for mediating this physiological process
      were identified in the genome. These assays were performed
      both in the presence and absence of humic substances. A
      stoichiometric consumption of Fe(II) and nitrate consistent
      with nitrate-dependent Fe(II) oxidation was observed in the
      presence of humic substances under autotrophic growth
      conditions. In contrast, no Fe(II) oxidation either under
      autotrophic or heterotrophic conditions was observed in the
      absence of humic substances, indicating the importance of
      humic substances in mediating nitrate-dependent Fe(II)
      oxidation. To the best of our knowledge this is the first
      study to show a chemolithotrophic nitrate-dependent
      Fe(II)-oxidizing physiology in a bacterial pure culture.
      Furthermore, the findings of the study indicate that humic
      substances are beneficial for microbial Fe(II)
      oxidation.
description: Umwelt vorwiegend an Huminstoffe
      gebunden vorkommt, konnte die Rolle von Huminstoffen in der
      Fe(II)-Oxidation noch nicht geklärt werden. Unsere Ergebnisse
      zeigen, dass die Anwesenheit von Huminstoffen einen Vorteil
      für Fe(II) oxidierende Mikroorganismen darstellen kann. Dies
      beruht auf der reduzierten abiotischen Fe(II)-Oxidation und
      einer möglicherweise erhöhten Energieausbeute durch eine
      Absenkung des Redoxpotentials von chelatiertem Fe(II) im
      Vergleich zu freiem Fe(II). Eine MPN-basierte Quantifizierung
      der Nitrat-abhängige Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismen im
      Sediment des Moorsees Große Fuchskuhle zeigte eine um zwei
      Größenordnung erhöhte Zellzahl von chemolithotrophen
      Nitrat-abhängige Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismen bei
      Huminstoffzugabe zum Wachstumsmedium. Bei Sediment
      Inkubationen unter chemolithotrophen Nitrat-abhängigen
      Fe(II)-oxidierenden Bedingungen wurden Mikroorganismen der
      Gattung Thiomonas angereichert. Einen weitere
      Charakterisierung dieser Anreicherungen lieferte vorläufige
      Belege dafür, dass diese Thiomonas Stämme fähig zur
      chemolithotrophen Nitrat-abhängigen Fe(II)-Oxidation sind.
      Zuletzt wurde der Thiomonas arsenivorans Stamm 3As auf die
      Fähigkeit zur chemolithotrophen Nitrat-abhängigen
      Fe(II)-Oxidation getestet, da alle dafür notwendigen Gene im
      Genom identifiziert werden konnten. Diese Versuche wurden
      sowohl unter Anwesenheit als auch in Abwesenheit von
      Huminstoffen durchgeführt. Es konnte ein stöchiometrischer
      Verbrauch von Fe(II) und Nitrat, wie für Nitrat-abhängige
      Fe(II)-Oxidation in Gegenwart von Huminstoffen unter
      autotrophen Wachstumsbedingungen erwarted, beobachtet werden.
      Demgegenüber konnte in Abwesenheit von Huminstoffen weder
      unter autothrophen noch unter heterotrophen Bedingungen
      Fe(II)-Oxidation beobachtet werden, was auf die Bedeutung von
      Huminstoffen bei der Vermittlung Nitrat-abhängiger
      Fe(II)-Oxidation hinweist. Nach unserem Wissen ist dies die
      erste Studie, welche die chemolithotrophe Nitrat-abhängige
      Fe(II) oxidierende Physiologie in einer bakteriellen
      Reinkultur zeigt. Darüberhinaus konnte in dieser Arbeit
      gezeigt werden, dass Huminstoffe mikrobielle Fe(II)-Oxidation
      begünstigen. Umwelt vorwiegend an Huminstoffe gebunden
      vorkommt, konnte die Rolle von Huminstoffen in der
      Fe(II)-Oxidation noch nicht geklärt werden. Unsere Ergebnisse
      zeigen, dass die Anwesenheit von Huminstoffen einen Vorteil
      für Fe(II) oxidierende Mikroorganismen darstellen kann. Dies
      beruht auf der reduzierten abiotischen Fe(II)-Oxidation und
      einer möglicherweise erhöhten Energieausbeute durch eine
      Absenkung des Redoxpotentials von chelatiertem Fe(II) im
      Vergleich zu freiem Fe(II). Eine MPN-basierte Quantifizierung
      der Nitrat-abhängige Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismen im
      Sediment des Moorsees Große Fuchskuhle zeigte eine um zwei
      Größenordnung erhöhte Zellzahl von chemolithotrophen
      Nitrat-abhängige Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismen bei
      Huminstoffzugabe zum Wachstumsmedium. Bei Sediment
      Inkubationen unter chemolithotrophen Nitrat-abhängigen
      Fe(II)-oxidierenden Bedingungen wurden Mikroorganismen der
      Gattung Thiomonas angereichert. Einen weitere
      Charakterisierung dieser Anreicherungen lieferte vorläufige
      Belege dafür, dass diese Thiomonas Stämme fähig zur
      chemolithotrophen Nitrat-abhängigen Fe(II)-Oxidation sind.
      Zuletzt wurde der Thiomonas arsenivorans Stamm 3As auf die
      Fähigkeit zur chemolithotrophen Nitrat-abhängigen
      Fe(II)-Oxidation getestet, da alle dafür notwendigen Gene im
      Genom identifiziert werden konnten. Diese Versuche wurden
      sowohl unter Anwesenheit als auch in Abwesenheit von
      Huminstoffen durchgeführt. Es konnte ein stöchiometrischer
      Verbrauch von Fe(II) und Nitrat, wie für Nitrat-abhängige
      Fe(II)-Oxidation in Gegenwart von Huminstoffen unter
      autotrophen Wachstumsbedingungen erwarted, beobachtet werden.
      Demgegenüber konnte in Abwesenheit von Huminstoffen weder
      unter autothrophen noch unter heterotrophen Bedingungen
      Fe(II)-Oxidation beobachtet werden, was auf die Bedeutung von
      Huminstoffen bei der Vermittlung Nitrat-abhängiger
      Fe(II)-Oxidation hinweist. Nach unserem Wissen ist dies die
      erste Studie, welche die chemolithotrophe Nitrat-abhängige
      Fe(II) oxidierende Physiologie in einer bakteriellen
      Reinkultur zeigt. Darüberhinaus konnte in dieser Arbeit
      gezeigt werden, dass Huminstoffe mikrobielle Fe(II)-Oxidation
      begünstigen.