Metabolism and biomineralization in anaerobic methane-oxidizing communities

Die anaerobe Oxidation von Methan (AOM) ist als Schlüsselprozess des marinen Methankonsums bekannt. Nach phylogenetischen und metagenomischen Analysen wird der Prozess von Konsortien aus syntrophen Archaeen und Sulfat reduzierenden Bakterien katalysiert. In dieser Arbeit wird ein umfassenderer Einblick in die methanotrophen Konsortien der Cold Seeps des Schwarzen Meeres gezeigt. Die Stoffwechselaktivität der syntrophen Partner konnte durch die Anwendung von Antikörpern identifiziert werden. Die Schlüsselenzyme Methyl Coenzym M Reduktase der (reversen) Methanogenese und APS Reduktase der Sulfatreduktion wurden auf zellulärer und subzellulärer Ebene detektiert. Interessanterweise konnten auch aktive methylotrophe Bakterien, deren Gruppe für die aerobe Methanoxidation bekannt ist, an dem anaeroben Standort gefunden werden. Es wurde gezeigt, dass sowohl anaerobe als auch aerobe Methanoxidation gleichzeitig in einigen zehn Mikrometern Entfernung in einer komplexen mikrobiellen Gemeinschaft mit Redox-Gradienten stattfinden. Die Ergebnisse bestätigen die syntrophe AOM als dominierenden Prozess in diesem anoxischem Lebensraum und weisen zugleich auf die globale Bedeutung des aeroben Stoffwechselweges hin, der nicht auf die oxischen Lebensräume der Ozeane beschränkt zu sein scheint. Weiterer Gegenstand dieser Arbeit war ein terrestrischer Standort, an dem Methan austritt. Das Schlammvulkan-Feld, Salse di Nirano im nördlichen Apennin (Italien), wurde auf Prokaryoten untersucht, die an der Oxidation von Methan beteiligt sind. Die Zellzahl lag bei ungefähr 0.7 x 106 Zellen/ml. Mit Fluoreszenz in situ Hybridisierung konnte ein Teil der Zellen als ANME-Archaea identifiziert werden, die in dicht besiedelten Flocken (einige zehn Mikrometer im Durchmesser) in einer hyalinen Matrix eingebettet sind. Eine Untersuchung der Diversität mit 16S rDNA-Analyse zeigte einen hohen Anteil an Archaeen, die an Sulfat abhängiger als auch Eisen oder Mangan abhängiger AOM beteiligt sind. Die Anreicherung von methanotrophen Bakterien aus aeroben als auch anaeroben Fluiden zeigt, dass sobald Sauerstoff verfügbar wird diese Bakterien an der Oxidation von Methan beteiligt sind. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass in tieferen Regionen des vulkanischen Systems von Archaeen dominierte Biofilme angesiedelt sind.Anaerobic oxidation of methane (AOM) is recognized as one key process of methane consumption in oceans. According to phylogenetic and metagenomic analyses, the process is carried out by syntrophic consortia of anaerobic methanotrophic archaea and sulfate reducing bacteria. Here, a more comprehensive view inside methanotrophic consortia from anoxic Black Sea cold seeps is shown. By using a set of antibodies as markers, the metabolic activity of the syntrophic partners could be identified. The key enzymes methyl coenzyme M reductase of the (reverse) methanogenic pathway and APS reductase (sulfate reduction pathway) were detected on cellular and subcellular level. Intriguingly, active methylotrophic bacteria, known for aerobic methane oxidation, could be detected in the anoxic environment by the expressed methanol dehydrogenase. It was shown that aerobic as well as anaerobic methane oxidation occur simultaneously, several tens of micrometers apart, in a complex, redox-stratified consortium. The results confirm the syntrophic AOM as dominant process in these anoxic environments and suggest, at the same time, the overall importance of aerobic methanotrophy, since it is not limited to oxic zones of the oceans. Moreover, a terrestrial site of methane emission was focused in this work. The diversity of prokaryotic organisms involved in oxidation of methane was investigated in fluid samples from the Salse di Nirano mud volcano field situated in the Northern Apennines (Italy). Cell counts were at approximately 0.7 x 106 microbial cells/ml. By fluorescence in situ hybridization analysis a fraction of the microbial biomass was identified as ANME archaea associated in densely populated flakes, of some tens of µm in diameter, embedded in a hyaline matrix. Diversity analysis based on the 16S rDNA genes, revealed a high proportion of archaea, involved in sulfate-dependent as well as suggested iron-manganese-dependent AOM. Aerobic methane-oxidizing Proteobacteria could be highly enriched from mud volcano fluids, indicating the presence of aerobic methanotrophic bacteria, which may contribute to methane oxidation, whenever oxygen is readily available. The results imply that biofilms, dominated by ANME archaea, colonize deeply buried parts of the mud volcano venting system