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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-34385
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2007/3438/


Diversität Nitrit oxidierender Bakterien in Böden des nordsibirischen Permafrostes und Sedimenten der Laptev-See

Alawi, Mashal

Originalveröffentlichung: (2007) Alawi, M., Lipski, A., Sanders, T., Pfeiffer, E.M. & Spieck, E. 2007. Cultivation of a novel cold-adapted nitrite oxidizing betaproteobacterium from the Siberian Arctic. The ISME Journal 1: 256-264; doi:10.1038/ismej.2007.34
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SWD-Schlagwörter: Nitrifikation , Dauerfrostboden , Nitrospira , Nitrobacter , Bodenmikrobiologie
Freie Schlagwörter (Deutsch): Nitrotoga arctica , Nitritoxidation , kältetolerant , psychrophil , Nitrit oxidierende Bakterien
Basisklassifikation: 42.30
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Spieck, Eva (PD Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.08.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 08.10.2007
Kurzfassung auf Deutsch: Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Diversität chemolithoautotropher Nitrit oxidierender Bakterien (NOB) in permafrostbeeinflussten terrestrischen, limnischen und marinen Habitaten Nordsibiriens untersucht. Bisher waren keine Daten von psychrophilen oder psychrotoleranten Nitrit oxidierenden Bakterien bekannt. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten erstmals die hohe Diversität und Anpassungsfähigkeit von Nitrit oxidierenden Bakterien an niedrige Temperaturen auf. Zu den Probenahmeorten zählten Tundrenböden von Samoylov, Kurungnakh, Mamontovy Klyk sowie Sedimente der Lena und der angrenzenden Laptev-See. Die Bakterien konnten durch Verwendung selektiver Mineralmedien angereichert und teilweise physiologisch charakterisiert werden. Um die Taxonomie der NOB in Naturproben und Kulturen aufzuklären, wurden molekularbiologische Techniken eingesetzt. Die Temperatur Gradienten Gelelektrophorese (TGGE) ermöglichte zudem eine frühzeitige Optimierung des Anreicherungsprozesses.

Die Polymerasekettenreaktion (PCR) und TGGE wurden für die 16S rRNA Analyse von NOB-Populationen in Umweltproben und Kulturen erfolgreich angepasst. Für die einzelnen Gattungen der NOB wurden spezifische und semi-spezifische Primersets abgeleitet. Für die Gattung Nitrobacter konnte durch Modifikation bekannter Sonden und Primer die Amplifikation mittels PCR verbessert werden. Für die Gattung Nitrospira wurden sechs neue Primer entwickelt, so dass eine zuverlässige DNA-Amplifikation aus Naturproben möglich war. Die neuen Primer eigneten sich für die spezifische Amplifikation des 16S rRNA Gens einzelner Subgruppen der Gattung. Für die wenig untersuchten Gattungen Nitrococcus und Nitrospina wurden ebenfalls Primer neu konstruiert und eingesetzt.

In den Auftauzonen der nordsibirischen Tundrenböden wurde eine hohe Diversität von NOB vorgefunden. Erstmals konnten kältetolerante NOB kultiviert werden. Die Bakterien zeigten optimale Anpassungen hinsichtlich der niedrigen in-situ Temperatur und Substratverfügbarkeit. Anhand von Kultivierungsversuchen bei unterschiedlichen Temperaturen wurden die NOB je nach Stamm als psychrotolerant bis moderat psychrophil eingestuft. In allen Böden konnte eine Koexistenz von Nitrobacter und Nitrospira festgestellt werden. Es konnten bis zu drei verschiedene 16S rRNA Sequenzen von Bakterien der Gattung Nitrospira in nur einer Bodenzone nachgewiesen werden.

Bei einer Inkubationstemperatur von 17ºC-28ºC konnten vornehmlich Nitrobacter-ähnliche Bakterien detektiert werden. Insgesamt wurden drei Stämme dieser Gattung angereichert. Bei Temperaturen von 10ºC-17ºC sind hingegen Nitrospira-ähnliche Bakterien in den Kulturen angereichert worden. In den untersuchten Böden und den entsprechenden Kulturen wurden zehn unterschiedliche Nitrospira-ähnliche 16S rRNA Sequenzen nachgewiesen. Zudem wurde ein Stamm dieser Gattung in einer Kultur aus dem Sediment der Lena sowie zwei marine Stämme in den Naturproben und Kulturen der Laptev-See-Sedimente detektiert. Die Stammbaumanalysen ergaben, dass Vertreter aus vier von fünf bekannten Clustern der Gattung Nitrospira in den permafrostbeeinflussten Gebieten Nordsibiriens und der Laptev-See vorkommen. Die Ergebnisse wurden durch den Abgleich mit weiteren Methoden wie der 16S rDNA Klonierung, Fluoreszenz in-situ Hybridisierung (FISH), Immun-Fluoreszenz Färbung und Transmissions-Elektronen Mikroskopie bestätigt.

Neben Nitrobacter und Nitrospira-ähnlichen Bakterien konnte ein bisher unbekanntes Nitrit oxidierendes Bakterium angereichert werden. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, handelt es sich um das erste NOB aus der Klasse der Betaproteobacteria. Die 16S rRNA Sequenz wurde sowohl in Kulturen wie auch Naturproben detektiert. Die über Klonierung erhaltene Gensequenz ist keiner bekannten Gattung zuzuordnen und bildet eine eigene Linie innerhalb der Betaproteobacteria. Für eine vorläufige taxonomische Klassifizierung wurde die Bezeichnung ´Candidatus Nitrotoga arctica´ gen.nov.spec.nov. gewählt. Das Bakterium zeigte in den Mineralmedien maximale Umsatzraten bei 10ºC, dennoch konnte auch bei 4ºC noch etwa ein Drittel der Aktivität gemessen werden. Somit ist das Bakterium chemolithoautotroph und moderat psychrophil. Durch die Anfertigung eines spezifischen Primerpaares und einer Sonde für FISH-Analysen konnte das Bakterium in Naturproben und Kulturen nachgewiesen werden.

Die Verbreitung und Bedeutung dieses neuen NOB kann somit künftig auch in anderen Ökosystemen untersucht werden. Das Wissen über die Physiologie dieses Bakteriums und die beteiligten kältetoleranten Enzyme könnte auch biotechnologischen Verfahren wie der Abwasseraufbereitung dienen.

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