bei Google ScholarTitelangaben
Sachs, Corinna:
Elucidating the role of long-distance electron transfer by cable bacteria in freshwater sediments and contaminated aquifers.
Bayreuth
,
2022
. - 141 S.
(
Dissertation,
2022
, Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006771
Volltext
Zugehörige Forschungsdaten
Abstract
Contamination of freshwater resources by hydrocarbons is a worldwide problem, and leads to damage of ecosystems and diminishing of drinking water supplies. Biodegradation is a possible way to remove pollutants from the environment, and certain microbes are able to metabolize and efficiently break down contaminants. In anoxic sediment, anaerobic hydrocarbon degradation predominantly occurs at redox gradients, where microbes rely on alternative electron acceptors, other than oxygen, for biodegradation, but are subject to limited electron acceptor availability. Recently discovered cable bacteria (CB) can overcome such limitation by forming filaments for long-distance electron transfer (LDET). These filaments enable CB to perform oxygen-dependent, electrogenic sulphur oxidation (e-SOX), they spatially separate redox half reactions over cm-distances, and consequentially allow them to overcome diffusion limitation and redox stratification in aquatic sediments. However, their unique geochemical requirements render CB notoriously difficult to cultivate, complicating investigations on their ecology. It is the aim of this thesis to establish a viable cultivation approach for the enrichment of freshwater cable bacteria, to investigate the occurrence and/or diversity of cable bacteria, and to elucidate the role of LDET in biodegradation of toluene.
In the first part of this doctoral thesis, I focus on a viable cultivation strategy for freshwater CB and introduce a new “agar pillar” approach to selectively enrich and investigate CB populations from aquatic sediments in laboratory columns. Within sediment columns, a central agar pillar is embedded, providing a sediment-free gradient system in equilibrium with surrounding sediment. Sediments from different freshwater systems (a streambed, a meromictic sulfidic lake, a polluted aquifer, river and lake sediments from mining-impacted Fichtelgebirge region) were incubated with the agar pillar approach. Microsensor profiling during column incubation revealed multiple characteristics of e-SOx, such as a suboxic zone between oxic surface and sulfidic sediments, as well as the establishment of electric potentials. Bacterial communities in agar pillars and surrounding sediment were analysed over depth by PacBio full-length 16S rRNA gene amplicon sequencing, allowing for a very accurate phylogenetic placement of detected populations. Putative CB affiliated with Desulfobulbaceae were detected in nearly all incubations and sediment types. Indeed, the selective niche of the agar pillar was preferentially colonized by CB from surface water sediments, but not so for groundwater sediments. While aquifer sediments hosted putative CB affiliated with Desulfurivibrio spp., CB clearly within the genus Ca. Electronema, representing several potentially novel species, prevailed in surface freshwater sediment columns. CB were seemingly linked to co-enriched fermenters, hinting at a possible role of e-SOx populations as an electron sink for heterotrophic microbes. Absence of CB resulted in similar microbiomes of agar pillar and surrounding sediment, suggesting agar pillar colonization by fermenters may indeed be linked to LDET. These findings add to the current understanding of the diversity and ecology of cable bacteria in freshwater systems, highlighting a differentiation of CB from distinct surface and groundwater sediments. In conclusion, the agar pillar provides a new cultivation strategy that may facilitate enrichment of redox gradient-dependent microorganisms, including previously unrecognized CB populations.
In the second part of this thesis, I focus on the role of LDET in microbial toluene biodegradation. In a 13C-toluene microcosm incubation experiment with freshwater sediment, I followed toluene degradation with a combination of biogeochemical and molecular biology methods utilizing by DNA-stable isotope probing (DNA-SIP). A subset of my incubations included filter membranes at relevant depths to prevent CB growth. The results of this multipronged approach allowed to identify toluene degraders and compare contaminant degradation between the same sediment with and without a possible involvement of LDET by CB. Depth-resolved microprofiling showed signatures of LDET in microcosms without filters, while headspace analysis revealed significantly more toluene degradation in microcosms when no filters were present. Microbial community analysis suggested that predominantly members of Gammaproteobacteria, specifically Rhodocyclaceae, Comamonodaceae, Burkholderiaceae and Moraxellaceae, and Alphaproteobacteria, specifically, Beijerinckiaceae, degraded toluene. These microbial groups were more abundant in microcosms without filters as compared to microcosms including filters, hinting at a presumed indirect impact of LDET for contaminant degradation.
Concluding, this thesis provides important new insights into the diversity and ecology of cable bacteria in freshwater systems, as well as a so far mostly unrecognised impact of LDET within sedimentary microbial communities. A possible function of CB-mediated e-SOx and LDET as an electron sink for heterotrophic microbes is considered relevant for potential future remediation endeavours of contaminated sediments. Previous strategies for contaminant removal by providing electron acceptors for anaerobic biodegradation are viable, but resource-intensive. Instead, the further exploration and harnessing of the potential of LDET by CB, intrinsically present within sedimentary systems, could offer an attractive alternative.
Abstract in weiterer Sprache
Die Kontamination von Süßwasserressourcen durch Kohlenwasserstoffe ist ein weltweites Problem und führt zur Schädigung von Ökosystemen und zur Verringerung der Trinkwasserversorgung. Der biologische Abbau ist ein möglicher Weg, um Schadstoffe aus der Umwelt zu entfernen, und bestimmte Mikroben sind in der Lage, Schadstoffe zu verstoffwechseln und effizient abzubauen. In anoxischen Sedimenten tritt der anaerobe Kohlenwasserstoffabbau überwiegend an Redoxgradienten auf, wo Mikroben für den biologischen Abbau auf andere Elektronenakzeptoren als Sauerstoff angewiesen sind, aber einer begrenzten Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren unterliegen. Kürzlich entdeckte Kabelbakterien (CB) können diese Einschränkung überwinden, indem sie Filamente für den Elektronentransfer über große Entfernungen (LDET) bilden. Diese Filamente ermöglichen es CB, eine sauerstoffabhängige, elektrogene Schwefeloxidation (e-SOX) durchzuführen, sie trennen Redoxhalbreaktionen räumlich über cm-Abstände und ermöglichen es ihnen folglich, Diffusionsbeschränkungen und Redoxschichtungen in aquatischen Sedimenten zu überwinden. Ihre einzigartigen geochemischen Anforderungen machen es jedoch notorisch schwierig, CB zu kultivieren, was Untersuchungen zu ihrer Ökologie erschwert. Ziel dieser Arbeit ist es, einen praktikablen Kultivierungsansatz zur Anreicherung von Süßwasserkabelbakterien zu etablieren, das Vorkommen und/oder die Diversität von Kabelbakterien zu untersuchen und die Rolle von LDET beim biologischen Abbau von Toluol aufzuklären.
Im ersten Teil dieser Doktorarbeit konzentriere ich mich auf eine praktikable Kultivierungsstrategie für Süßwasser-CB und stelle einen neuen „Agarsäulen“-Ansatz vor, um CB-Populationen aus aquatischen Sedimenten in Laborsäuleninkubationen selektiv anzureichern und zu untersuchen. Innerhalb der Sedimentmikrokosmen ist eine zentrale Agarsäule eingebettet, die ein sedimentfreies Gradientensystem im Gleichgewicht mit dem umgebenden Sediment darstellt. Sedimente aus verschiedenen Süßwassersystemen (ein Bachbett, ein meromiktischer sulfidischer See, ein belasteter Aquifer, Fluss-und Seesedimente aus der Bergbau-beeinflussten Region des Fichtelgebirges) wurden mit dem Agarsäulenansatz inkubiert. Mikrosensormessungen entlang der Sediment-und Agarsäule während der Inkubation zeigten mehrere Eigenschaften von e-SOx, wie eine suboxische Zone zwischen der oxidischen Oberfläche und sulfidischen Sedimenten, sowie die Etablierung elektrischer Potentiale. Bakteriengemeinschaften in Agarsäulen und umgebenden Sedimenten wurden über die Tiefe durch PacBio-16S-rRNA-Gen-Amplikon-Sequenzierung in voller Länge analysiert, was eine sehr genaue phylogenetische Platzierung der nachgewiesenen Populationen ermöglichte. Mutmaßliche mit Desulfobulbaceae assoziierte CB wurden in fast allen Inkubationen und Sedimenttypen nachgewiesen. Tatsächlich wurde die selektive Nische der Agarsäule bevorzugt von CB aus
Oberflächenwassersedimenten besiedelt, nicht jedoch aus Grundwassersedimenten. Während Aquifersedimente mutmaßliche CB beherbergten, die mit Desulfurivibrio spp. assoziiert sind, gehören CB aus Oberflächen-Süßwasser-Sedimentsäulen eindeutig zur Gattung Ca. Electronema, und weisen potenziell neue CB-Spezies auf. Ein Vorhandensein von CB war mutmaßlich mit co-angereicherten Fermentern verbunden, was auf eine mögliche Rolle von e-SOx-Populationen als Elektronensenke für heterotrophe Mikroben hinweist. Das Fehlen von CB führte zu ähnlichen Mikrobiomen der Agarsäule und des umgebenden Sediments, was darauf hindeutet, dass die Besiedlung der Agarsäule durch Fermenter tatsächlich mit LDET in Verbindung gebracht werden könnte. Diese Ergebnisse tragen zum aktuellen Verständnis der Diversität und Ökologie von Kabelbakterien in Süßwassersystemen bei und unterstreichen eine Unterscheidung von CB von vielfältigen Oberflächensedimenten und Grundwassersedimenten. Zusammenfassend bietet die Agarsäule eine neue Kultivierungsstrategie, die die Anreicherung von redoxgradientenabhängigen Mikroorganismen, einschließlich bisher nicht erkannter CB-Populationen, erleichtern kann.
Im zweiten Teil dieser Arbeit konzentriere ich mich auf die Rolle von LDET beim mikrobiellen biologischen Abbau von Toluol. In einem 13C-Toluol-Mikrokosmos-Inkubationsexperiment mit Süßwassersediment verfolgte ich den Toluolabbau mit einer Kombination aus biogeochemischen und molekularbiologischen Methoden unter Verwendung von DNA-Stable-Isotope-Probing (DNA-SIP). Ein Teil meiner Inkubationen umfasste Filtermembranen in relevanten Tiefen, um das CB-Wachstum zu verhindern. Die Ergebnisse dieses mehrgleisigen Ansatzes ermöglichten es, Toluolabbauer zu identifizieren und den Schadstoffabbau zwischen demselben Sediment mit und ohne eine mögliche Beteiligung von LDET durch CB zu vergleichen. Tiefenaufgelöste Mikroprofile zeigten Signaturen von LDET in Mikrokosmen ohne Filter, während die Analyse der Gasphase einen signifikant stärkeren Toluolabbau in Mikrokosmen zeigte, wenn keine Filter vorhanden waren. Die Analyse der mikrobiellen Gemeinschaft legte nahe, dass überwiegend Mitglieder von Gammaproteobacteria, insbesondere Rhodocyclaceae, Comamonodaceae, Burkholderiaceae und Moraxellaceae, und Alphaproteobacteria, insbesondere Beijerinckiaceae, Toluol abbauen. Diese mikrobiellen Gruppen waren in Mikrokosmen ohne Filter häufiger als in Mikrokosmen mit Filtern, was auf einen vermuteten indirekten Einfluss von LDET auf den Schadstoffabbau hindeutet.
Abschließend liefert diese Arbeit wichtige neue Einblicke in die Diversität und Ökologie von Kabelbakterien in Süßwassersystemen, sowie in einen bisher weitgehend unerkannten Einfluss von LDET auf sedimentäre mikrobielle Gemeinschaften. Eine mögliche Funktion von CB-vermitteltem e-SOx und LDET als Elektronensenke für heterotrophe Mikroben wird als relevant für mögliche zukünftige Sanierungsbemühungen kontaminierter Sedimente erachtet. Frühere Strategien zur Schadstoffentfernung durch Bereitstellung von Elektronenakzeptoren für den anaeroben biologischen Abbau sind praktikabel, aber ressourcenintensiv. Stattdessen könnte die weitere Erforschung und Nutzung des Potenzials von LDET durch CB, welche in Sedimentsystemen intrinsisch vorhanden sind, eine attraktive Alternative bieten.