Methanoloxidation in oxischen Böden und Umweltparameter assoziierter methylotropher Mikroorganismen-Gemeinschaften

Titelangaben

Stacheter, Astrid:
Methanoloxidation in oxischen Böden und Umweltparameter assoziierter methylotropher Mikroorganismen-Gemeinschaften.
Bayreuth , 2014 . - XII, 194 S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Methanol ist ein klimarelevantes Spurengas und verstärkt die Bildung von troposphärischem Ozon. Pflanzen sind die wichtigsten Quellen von Methanol in terrestrischen Ökosystemen. Die jährliche Emissionsrate von Methanol ist vergleichbar mit der von Methan. Methylotrophe Bacteria können Verbindungen ohne Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung wie Methanol oder Methan als Substrat nutzen und sind damit potenzielle biologische Senken von klimarelevanten Verbindungen. Es bekannt, dass einige Methylotrophe in der Phyllosphäre Methanol, das von oberirdischen Pflanzenteilen emittiert wird, als Substrat nutzen und gleichzeitig das Pflanzenwachstum z.B. durch die Bildung von Wachstumshormonen fördern können. Durch die metabolische Aktivität von Methylotrophen in der Phyllosphäre kann daher die Methanolkonzentration in der Atmosphäre verringert werden. Pflanzen werden möglicherweise durch methylotrophe Bakterien in umgebendem Boden inokuliert, die ebenso einen Einfluss auf den globalen Methanolhaushalt haben können. Unterirdische Pflanzenteile und die atmosphärische Deposition von Methanol sind die Methanolquellen der Böden. Zwar wurden Methan-oxidierende Methylotrophe in Böden in zahlreichen Studien untersucht, über die Diversität und Nischen-definierende Parameter der Methanol-oxidierenden Methylotrophen und über Methanoloxidationsraten ist hingegen nur wenig bekannt. Dabei können die meisten methylotrophen Arten Methanol und nicht Methan als Substrat nutzen. In dieser Arbeit wurden daher folgende Ziele bearbeitet: a) Bestimmung von Methanoloxidationskinetiken in oxischen Böden, b) Identifizierung von Methylotrophen, die durch in situ relevante Methanolkonzentrationen angeregt werden, c) Bestimmung der Strukturen der Methylotrophen-Gemeinschaften in Böden und d) Identifizierung von Umweltparametern, die mit der Gemeinschaftsstruktur der Methylotrophen korrelieren.
Frühere Untersuchungen zeigten, dass Methylotrophe in Böden durch Methanolkonzentrationen im Bereich einiger Millimol pro Gramm Trockengewicht des Bodens stimuliert werden. In situ relevante Methanolkonzentrationen sind jedoch mindestens um den Faktor 1000 geringer. Die minimale Methanolkonzentration, bei der in dieser Doktorarbeit eine Oxidationsaktivität nachgewiesen wurde, lag bei 2 Nanomol pro Gramm Trockengewicht des Bodens. Grünlandböden haben folglich das Potenzial in situ relevante Methanolkonzentrationen zu oxidieren. Die spezifische Affinität der analysierten Grünlandböden-Gemeinschaften für Methanol (a0s = 0,03 d-1) war geringer als die spezifische Affinität für Methanol von Meerwasserproben, was darauf hinweisen kann, dass sich die Gemeinschaft der Methylotrophen in Böden und Meerwasser unterscheidet. Zwei Genotypen, die durch in situ relevante Methanolkonzentrationen stimuliert wurden, konnten den Alphaproteobacteria zugeordnet werden. Die Isolierung von 129 Reinkulturen auf Medium mit Methanol und die Analyse von Genmarkern des methylotrophen Stoffwechsels (mxaF, mch, fae) zeigten ferner, dass Alphaprotebacteria in der untersuchten Bodengemeinschaft am häufigsten vertreten waren. Insbesondere die Gattungen Bradyrhizobium, Ensifer, Methylobacterium, Starkeya, Methylocella und Methyloferula spielten bei der Oxidation von Methanol in Böden wahrscheinlich eine Rolle. Die Lebendzellzahl von Methanol-oxidierenden Methylotrophen lag bei 106 bis 108 pro Gramm Trockengewicht des Bodens. 22% der Reinkulturen gehörten zu Gattungen, von denen Methylotrophie bisher nicht berichtet wurde. Darüber hinaus wurden Genotypen detektiert, die nur sehr entfernt verwandt zu bekannten Genotypen waren. Methylotrophie ist daher wahrscheinlich in mehr taxonomischen Gruppen verbreitet als bisher angenommen werden konnte. Grundsätzlich korrelierte die Gemeinschaftsstruktur der Methylotrophen mit dem Boden-pH-Wert und dem Vegetationstyp. Methylotrophe Gemeinschaften im Böden sind damit wichtige Senken im globalen Methanolhaushalt und werden vor allem durch Interaktionen mit Pflanzen und dem in situ pH-Wert beeinflusst.

Abstract in weiterer Sprache

Methanol is a climate relevant trace gas and increases the formation of tropospheric ozone. Plants are the most important sources of methanol in terrestrial ecosystems. The annual emission rate of methanol is comparable to that of methane. Methylotrophic bacteria are capable of utilization of compounds without a carbon-carbon-bond, such as methanol or methane, as a substrate, and are therefore, potential biological sinks of climate relevant compounds. It has been shown that some methylotrophs in the phyllosphere utilize Methanol, emitted by above ground plant material, and produce phytohormones that stimulate plant growth. The metabolic activity of methylotrophs in the phyllosphere might therefore cause an important sink in the global methanol cycle. Probably plants are inoculated by methylotrophs with surrounding soil. Methylotrophs in soils could also influence the global methanol cycle. Belowground plant particles and atmospheric methanoldeposition are sources of soil methanol. Methane-oxidizing methylotrophs have been intensively studied, whereas, little is known about the diversity and niche-defining parameters of methanol-oxidizing bacteria and methanol oxidation rates in soils. Although most methylotrophic species are able to use methanol and not methane as a substrate. Therefore the following objectives were addressed: a) to determine methanol oxidation kinetics in oxic soils, b) to identify methylotrophs that are stimulated by in situ relevant methanol concentrations, c) to analyse the methylotroph community structures in soils, and d) to identify environmental parameters that correlate with the methylotroph community composition.
Previous studies revealed that methylotrophs are stimulated by methanolconcentrations in the range of some millimoles per gram of soil. Likely, in situ relevant methanol concentrations are at least 1000fold lower. A minimal methanol concentration at which oxidation activity was detected in the current study was 2 nanomoles per gram dry weight of soil. Thus, grassland soil has the potential to oxidize in situ relevant methanol concentrations. The specific affinity of the analyzed grassland soils to methanol (a0s = 0.03 d-1) was lower than the specific affinity of samples from surface seawater, which suggests that methylotrophic communities in soils and seawater differ and exhibit different enzymatic properties. Two genotypes that were stimulated by in situ relevant methanol concentrations were next-related to genotypes of Alphaproteobacteria. An isolation-based survey (129 pure cultures) on methanol-containing media and the analysis of methylotroph communities based on gene markers of the methylotrophic metabolism (mxaF, mch, fae) revealed that Alphaproteobacteria was the dominating phylum in all investigated soil communities. Particularly, Bradyrhizobium, Ensifer, Methylobacterium, Starkeya, Methylocella, and Methyloferula were likely important for methanol oxidation in aerated temperate in soils. Numbers of cultivable cells ranged from 106 to 108 cells per gram dry weight of soil. 22% of the isolates belonged to genera, of which methylotrophy has not been reported before. Furthermore, various genotypes were only distantly related to known sequences. Likely, methylotrophy is taxonomically more widespread than previously thought. The methylotrophic community composition correlated with soil-pH and vegetation type. Methylotroph communities in oxic soils are important sinks in the global methanol budget and are mainly affected by interactions with plants and
in situ pH.