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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-58350
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5835/


Tracing carbon fluxes within two distinct microbial communities in anaerobically methane oxidising mats by stable isotope probing

Verfolgen der Kohlenstoffflüsse innerhalb zwei individueller mikrobieller Lebensgemeinschaften in anaeroben methanoxidierenden Matten anhand von Markierungsexperimenten mit stabilen Isotopen

Bertram, Sebastian

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SWD-Schlagwörter: mikrobielle anaerobe Methanoxidation
Freie Schlagwörter (Deutsch): ANME-Archaeen, Methan , Lipide , Physiologie, AOM
Freie Schlagwörter (Englisch): AOM , physiology , lipids , ANME-archaea , methane
Basisklassifikation: 38.32
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Michaelis, Walter (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.06.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 17.09.2012
Kurzfassung auf Deutsch: Methan ist ein bedeutendes Treibhausgas und beeinträchtigt das globale Klima.
Die Konzentration in der Atmosphäre hat sich seit Beginn der Industrialisierung mehr
als verdoppelt. Neben anthropogenen gibt es auch bedeutende natürliche Quellen.
So werden beispielsweise in anoxischen marinen Sedimenten große Mengen an
Methan gebildet, von denen jedoch nur ein kleiner Teil in die Wassersäule und die
Atmosphäre emittiert wird. Jedoch vermindert die anaerobe Oxidation von Methan
(AOM) bis zu 85% der Methanemission aus den marinen Sedimenten. Dieser
Prozess ist damit im globalen Methankreislauf von erheblicher Bedeutung, da er
letztlich die Methankonzentration in der Atmosphäre mit reguliert (del Giorgio und
Duarte, 2002; Reeburgh, 2007).
Obwohl bereits Ende der siebziger Jahre durch Reeburgh (1976) sowie Barnes
und Goldberg (1976) aufgrund von Porenwasserprofilen dieser Prozess als wahrscheinlich beschrieben wurde, gelang es erst 1999 Hinrichs et al., gefolgt von
Boetius et al. (2000) entsprechende Euryarchaeota zu identifizieren und direkt mit
biogener anaerober Methanoxidation in Verbindung zu setzen. Die identifizierten
Archaeen werden in drei Gruppen aufgeteilt, ANME-1, -2 und -3 (ANaerobe
MEthanotrophe Archaeen), die wiederum unterschiedliche Subgruppen enthalten.
Diese methanotrophen Archaeen sind nah verwandt mit verschiedenen methanogenen
Ordnungen, den Methanomicrobiales, Methanosarcinales und Methanococcales
(Hinrichs et al., 1999; Boetius et al., 2000; Knittel et al., 2005). Wenngleich
jüngst auch AOM unter Verwendung anderer Elektronenakzeptoren nachgewiesen
wurde, so ist in marinen Sedimenten der Prozess der AOM mit an sulfatreduzierende
Bakterien (SRB) gekoppelt. Deshalb wird er auch als sulfatabhängige AOM
beschrieben. Unter Standardbedingungen liefert die sulfatabhängige AOM nur sehr
wenig Energie, ΔG0 = -22,8 kJ/mol (Barnes und Goldberg, 1976).
Viele physiologische Details der AOM sind immer noch ungeklärt. Heute wird die
sulfatabhängige AOM als reverser Prozess der Methanogenese betrachtet. Dies ist
gestützt durch die Entdeckung eines neuen nickelbindenden Coenzyms F430 in ANME-1 und genomanalytische Untersuchungen von Umweltproben (Krüger et al., 2003; Hallam et al., 2004; Meyerdierks et al., 2005, 2010; Shima et al., 2011).
Bisher sind noch keine Isolate kultiviert worden, weder der ANME-1, -2 oder
-3, noch der assoziierten sulfatreduzierenden δ-Proteobakterien. Neben ANME und
SRB zeigten jüngere molekularbiologische Untersuchungen interessanterweise eine
hohe mikrobielle Diversität an entsprechenden AOM Standorten. Jedoch blieben der
Metabolismus und die Funktionsweise dieser Gemeinschaften immer noch ungeklärt.
Frühere Studien demonstrierten ein methanogenes Potential mit unterschiedlichen
Substraten (Seifert et al., 2006; Treude et al., 2007; Orcutt et al., 2008).
Eine Möglichkeit um Kohlenstoffflüsse in mikrobiellen Matten zu untersuchen, ist
die Inkubation mit isotopisch markierten Substraten, sogenanntes (englisch) Stable
Isotope Probing (SIP; Boschker et al., 1998). Neben der so erlaubten Verfolgung des
Substratkohlenstoffs in die Gesamtbiomasse, können auch verschiedene organismenspezifische Lipidbiomarkermoleküle verwendet werden, die einen Einblick in die physiologische Strategie der Mitglieder dieser mikrobiellen Gemeinschaft ermöglichen.
In dieser Arbeit wurden vorherige Markierungsstudien (Methan, Bikarbonat;
Blumenberg et al., 2005; Wegener et al., 2008a; Jagersma et al., 2009) um bislang
nicht untersuchte 13C-angereicherte Substrate (Acetat, Methanol) erweitert, um AOM abhängige und methanunabhängige Stoffwechsel zu untersuchen. Dazu wurden zwei AOM-basierte mikrobielle Lebensgemeinschaften aus dem Schwarzen Meer untersucht. Hierbei handelte es sich um ANME-1 oder ANME-2 dominierte Gemeinschaften (Michaelis et al., 2002; Blumenberg et al., 2004), so dass beide Vergesellschaftungen erstmals getrennt diesbezüglich analysiert werden konnten.
Begleitend wurden die Raten des Methankonsums, der Methanbildung und der
Sulfatreduktion bestimmt, um die Aktivitäten der jeweiligen untersuchten ANME-Archaeen und der entsprechenden sulfatreduzierenden Bakterien zu verfolgen. Die Methan- und Bikarbonatansätze ähneln dabei den entsprechenden in-situ Bedingungen.
Mit Acetat wurden heterotrophe Eigenschaften der gesamten Gemeinschaft
untersucht. Während der Inkubationen mit Methanol sollten methylotrophe
Eigenschaften der Archaeen, sowie potentielle homoacetogene Stoffwechsel
untersucht werden.
Mit Hilfe, der in dieser Arbeit eingesetzten 13C-Markierungsexperimente, sollten neue Einsichten in die komplexen physiologischen Prozesse innerhalb der mikrobiellen AOM-Gemeinschaften gewonnen werden.
Kurzfassung auf Englisch: Methane is a significant greenhouse gas that affects the global climate. The concentration in the atmosphere has more than doubled since the beginning of the
industrialisation. Along with anthropogenic sources, there are also natural sources.
For instance, high amounts of methane are formed in the anoxic marine sediments.
However, only a minute part rises up into the water column and the atmosphere. The
process of the anaerobic oxidation of methane (AOM) reduces its net emission from
the sediments to the water body and atmosphere by more than 85 % and is therefore
an important process in controlling the atmospheric concentration (del Giorgio and
Duarte, 2002; Reeburgh, 2007).
Although AOM was described by Reeburgh (1976) as well as Barnes and Goldberg
(1976) in the late seventies as a possible process, due to pore water profiles, it was
not until 1999 that Hinrichs et al. followed by Boetius et al. (2000) connected
euryarchaea with biogenic oxidation of methane under anoxic conditions. In the
meantime, the identified clusters could be divided into three groups; ANME-1, -2 and
-3 (ANaerobic MEthanotrophic archaea) with different subgroups. These methanotrophicarchaea are closely affiliated to different methanogenic orders, Methanomicrobiales,Methanosarcinales and Methanococcales (Hinrichs et al., 1999; Boetius et al., 2000; Knittel et al., 2005). Although, recently AOM was also proven to belinked to other electron acceptors, the process of AOM in marine sediments is linkedwith sulphate reducing bacteria (SRB). Thus it is also considered as sulphatedependent AOM. It is a very low energy yielding process under standard conditions, ΔG0 = -22.8 kJ/mol (Barnes and Goldberg; 1976).
Many physiological details of AOM are still unclear. Today the sulphate-related
AOM is considered as a reverse process of the methanogenesis. This was supported
by the finding of a new nickel binding coenzyme F430 in ANME-1, and genomic analysis of environmental samples (Krüger et al., 2003; Hallam et al., 2004;
Meyerdierks et al., 2005, 2010; Shima et al., 2011).
There are still no isolated pure cultures from the ANME-1, -2, -3 or the involved
sulphate reducing δ-proteobacteria. Interestingly, recent molecular biological
investigations revealed that along with ANME-archaea and SRB, there exists a high
microbial diversity in AOM-settings. However, the metabolisms and the function in
those communities still remain unclear. Previous studies have already demonstrated
methanogenic capabilities with different substrates (Seifert et al., 2006; Treude et al.,
2007; Orcutt et al., 2008).
One approach to investigate the carbon fluxes in a microbial mat is an incubation
technique with stable isotope labelled substrates – Stable Isotope Probing (Boschker
et al., 1998). Along with the enabled tracing of the carbon flow into the total biomass,
several specific lipid biomarker molecules can also be used to gain information on
the metabolic strategy of the prokaryotic members of such a microbial community.
Within this work, previous labelling studies (methane, bicarbonate; Blumenberg et al.,
2005; Wegener et al., 2008a; Jagersma et al., 2009) were extended with substrates
which as of yet have not been investigated (acetate, methanol) to shed light on
AOM-linked and other non-methane related metabolisms. Therefore, two different
AOM-performing microbial mats from the Black Sea were investigated. These
communities exhibit almost pure ANME-1 or ANME-2 dominated communities,
respectively (Michaelis et al., 2002; Blumenberg et al., 2004), thus both communities
were separated for the first time so that they could be analysed. Alongside this, the
assimilation rates for 13C from the labelled substrates (methane, bicarbonate, acetate, methanol) into archaeal and bacterial lipids were traced. In addition the rates of methane consumption, methanogenesis and sulphate reduction were determined to outline the activities of the respective ANME-archaea and sulphate reducing bacteria. The experiments with methane and bicarbonate are similar to the respective in-situ conditions. The experiments with acetate investigated the heterotrophic capabilitiesof the whole prokaryotic community. During the incubations with methanol, the methylotrophic capabilities of the archaea and potential homoacetogenic physiologies should be determined.
With the help of the conducted 13C-labelling experiments during this work, new insights into the complex physiological processes within the microbial
AOM-communities should be achieved.

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