Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5587
Main Title: Distribution of Dehalococcoidia in marine sediments and strategies for their enrichment
Translated Title: Verteilung von Bakterien der Klasse Dehalococcoidia in marinen Sedimenten und Strategien für ihre Anreicherung
Author(s): Algora, Camelia
Advisor(s): Adrian, Lorenz
Referee(s): Neubauer, Peter
Adrian, Lorenz
Amils, Ricardo
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The marine subsurface is one of the largest microbial habitats on Earth. Microbial community studies based on the 16S rRNA gene have revealed that bacteria of the class Dehalococcoidia, phylum Chloroflexi, are one of the most widespread and abundant bacteria inhabiting the marine subsurface. However, their physiology and ecological role are unknown. In this study, marine sediments were cultivated with various potential electron acceptors to explore respiration modes catalysed by Dehalococcoidia. The cultivation revealed that Dehalococcoidia can be cultivated in an anoxic minimal medium amended with hydrogen and acetate as potential electron donor and carbon source, respectively, at a temperature of 30ºC and at atmospheric pressure, and thus Dehalococcoidia are not strict piezophilic bacteria. An increase in Dehalococcoidia 16S rRNA gene copy numbers of one order of magnitude, as evidenced by quantitative PCR with newly designed primers, could be observed in a time span of months for several sediment cultures, indicating that their replication times are not in geological times, i.e., thousands to millions of years. Dehalococcoidia 16S rRNA gene copy numbers (in the range of 10^2–10^5 ml^-1 culture) among the various sediment cultures inoculated with diverse sediments and amended with different potential electron acceptors suggested no specific respiratory mode to be preferred by subseafloor Dehalococcoidia. Additionally, subseafloor Dehalococcoidia were not reliant on organohalide respiration under the conditions tested, in contrast to cultivated Dehalococcoidia species such as Dehalococcoides mccartyi. Interestingly, among the tested organohalide compounds, 1,2,3-trichlorobenzene was transformed to 1,3-dichlorobenzene in sediment cultures. Inhibition studies using antibiotics against Gram-positives and microbial community analyses by 454-pyrosequencing of 16S rRNA genes, indicated members affiliated with the phylum Firmicutes were involved in the transformation of 1,2,3-trichlorobenzene. The presence, abundance, and distribution of Dehalococcoidia were investigated in sediments of the Arctic Baffin Bay. Geochemical studies showed the shelf as an area rich in organic matter, with indications for the presence of sulphate reduction (highest dsrA gene copies and a decrease in sulphate concentration in its pore-waters). On the other hand, the basin area was comparably poor in organic matter with high concentrations of iron(II) and manganese(II) in its pore-waters. Dehalococcoidia were present at all investigated sites and depths in the range of 1.1 x 10^3–8.4 x 10^5 16S rRNA gene copy numbers g^-1 sediment. Dehalococcoidia copy numbers were highest and generally stable with depth in shelf sites of the Baffin Bay compared to any other area. In contrast, Dehalococcoidia copy numbers pronouncedly decreased with depth at basin sites. Dehalococcoidia accounted for the highest proportion of the total bacterial 16S rRNA genes when low bacterial copy numbers were found, mostly in samples from deeper sediment layers, indicating that subseafloor Dehalococcoidia are resilient to burial. Illumina sequencing of 16S rRNA genes gave further evidence that Dehalococcoidia were mostly associated with shelf sediments. The relative abundance of Dehalococcoidia and, most specifically, the clade GIF-9 within the class Dehalococcoidia, positively correlated with organic matter content, and negatively correlated with sulphate and manganese(II) pore-water concentrations. Thus, a potential fermenting metabolism is likely for GIF-9 members. Apart from Dehalococcoidia, the Baffin Bay bacterial community was dominated by members of the class Betaproteobacteria (with relative abundance of 38 to 64%), and specifically the order Burkholderiales, which strongly correlated to manganese(II) pore-water concentration, suggesting a metal respiratory metabolism. In contrast to Dehalococcoidia, the class Betaproteobacteria is not commonly found as widely distributed and abundant bacterial group in the marine subseafloor, and its presence and high abundance in sediments of the Baffin Bay may be the result of the glacial conditions in the area.
Marine Sedimente sind einer der größten mikrobiellen Lebensräume der Erde. 16S rRNA-basierte Studien der mikrobiellen Gemeinschaften haben gezeigt, dass Bakterien der Klasse Dehalococcoidia des Phylums Chloroflexi ubiquitär und abundant in marinen Sedimenten vorkommen. Die Physiologie und ökologische Funktion dieser Bakterien ist weitestgehend unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden marine Sedimente mit verschiedenen potenziellen Elektronenakzeptoren versetzt, um die Stoffwechselcharakteristika der Klasse Dehalococcoidia zu identifizieren. Die Kultivierungsexperimente zeigten, dass Dehalococcoidia-Spezies in anoxischem Minimalmedium versetzt mit Wasserstoff und Acetat als Elektronendonor und Kohlenstoffstoffquelle bei 30°C und atmosphärischem Druck erfolgreich kultiviert werden können und dementsprechend nicht strikt barophil sind. Zur Quantifizierung von Dehalococcoidia-Spezies wurde ein qPCR-Verfahren entwickelt. Vereinzelt wurde in den Labormikrokosmenansätzen ein Anstieg der Dehalococcoidia-spezifischen 16S rRNA-Genkopienzahl innerhalb der mehrmonatigen Inkubation verzeichnet. Signifikante Änderungen der Dehalococcoidia-spezifischen 16S rRNA-Genkopienzahl in Abhängigkeit von den verschiedenen Elektronenakzeptoren wurden nicht beobachtet und ließen damit keine Rückschlüsse auf spezifische Stoffwechselprozesse zu. Weiterhin konnte für marine Dehalococcoidia-Spezies im Gegensatz zu kultivierten Süßwasserspezies wie z.B. Dehalococcoides mccartyi keine Abhängigkeit von Organohalid-Respiration nachgewiesen werden. Interessanterweise wurde als einzige der getesten chlorierten Kohlenwasserstoffe 1,2,3-Trichlorbenzol zu 1,3-Dichlorbenzol umgesetzt. Studien zur Inhibierung von gram-positiven Bakterien mit Antibiotika sowie 16S rRNA-basierte Analysen der mikrobiellen Gemeinschaften mittels Pyrosequenzierung deuteten auf die Relevanz von Firmicutes-verwandten Spezies zur Transformation von 1,2,3-Trichlorbenzol. Das Vorkommen, die Abundanz und räumliche Verteilung von Dehalococcoidia wurde in Sedimenten der nördlichen Baffin Bay untersucht. Geochemische Studien zeigen, dass große Mengen an organischer Substanz im Schelf festgelegt sind. Hohe Kopienzahlen der dissimilatorischen Sulfitreduktase (dsrA) verbunden mit einer Sulfatzehrung im Porenwasser deuten auf die Relevanz von Sulfatreduktion hin. Das Baffinbecken ist dagegen vergleichsweise arm an organischer Substanz mit hohen Eisen(II)- und Mn(II)-Konzentrationen im Porenwasser. Das Markergen für Dehalococcoidia wurde in Sedimentproben verschiedener Transekte und vertikaler Zonierungen mit einer Abundanz von 10^3 bis 10^5/g Sediment nachgewiesen. In den Schelfsedimenten trat das Dehalococcoidia-Gen mit einer Abundanz von 10^5/g Sediment auf und zeigte keine signifikante Änderung entlang der vertikalen Zonierung. Im Gegensatz dazu nahmen die Kopienzahlen des Markergens in den Sedimentproben des Baffinbeckens mit zunehmender Tiefe rasch ab. Lagen bakterielle Gene in geringen Kopienzahlen vor, was zumeist in den tieferen Sedimentschichten beobachtet wurde, machten Dehalococcoidia-Gene den Großteil der bakteriellen 16S rRNA-Gene aus. Illuminasequenzierung der 16S rRNA-Gene zeigte darüber hinaus, dass Dehalococcoidia vorrangig in Schelfsedimenten vorkamen. Die relative Abundanz von Dehalococcoidia, insbesondere der Gruppe GIF-9 innerhalb der Dehalococcoidia, korrelierte positiv mit dem Gehalt an organischer Substanz und negativ mit der Sulfat- und Mangan(II)-Konzentrationen des Porenwassers. Dementsprechend ist ein fermentativer Stoffwechsel für Spezies der Gruppe GIF-9 in Betracht zu ziehen. Diese Hypothese wird durch die Ergebnisse der Kultivierungsexperimente gestützt. Neben Dehalococcoidia wurde die mikrobielle Baffin-Bay-Gemeinschaft von Spezies der Klasse Betaproteobacteria (mit einer relativen Abundanz von 38 bis 64%), insbesondere der Ordnung Burkholderiales, dominiert. Das Vorkommen von Burkholderiales-Spezies zeigte eine starke Korrelation mit den Eisen(II)- und Mangan(II)-Konzentrationen und deutet auf eine mikrobielle Eisen- und Manganreduktion hin. Im Gegensatz zur Klasse Dehalococcoidia kommen Betaproteobacteria nur vereinzelt in marinen Sedimenten vor. Deren Vorkommen und hohe Abundanz in den Baffin Bay-Sedimenten resultieren möglicherweise aus den eiszeitlichen Bedingungen.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6000
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5587
Exam Date: 11-Jul-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 30-Nov-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::579 Mikroorganismen, Pilze, Algen
Subject(s): phylum Chloroflexi
marine sediments
Baffin Bay-Arctic
quantitative-PCR
reductive dehalogenation
class Betaproteobacteria
marine Sedimente
Baffin Bay-Arktis
reduktive Dehalogenierung
Klasse Betaproteobacteria
Sponsor/Funder: EC/FP7/202903/EU/Microbiology of Dehalococcoides-like Chloroflexi/MICROFLEX
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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