Identifizierung eisenreduzierender Mikroorganismen in anoxischem Reisfeldboden mit Hilfe stabiler Isotope

In den letzten Jahrzehnten erlangte die Eisenreduktion als ein wichtiger mikrobieller Prozess und die daran beteiligten Mikroorganismen zunehmend an Bedeutung. In vielen anoxischen Habitaten ist Fe(III) der am häufigsten vorkommende natürliche Elektronenakzeptor. So auch in geflutetem Reisfeldboden, wo die dissimilatorische Eisenreduktion neben der Methanogenese den wichtigsten anaeroben respiratorischen Prozess darstellt. Über die Diversität der mikrobiellen Populationen, die ihre Energiegewinnung an die Reduktion von Fe(III) koppeln, ist bisher wenig bekannt. In dieser Arbeit wurde erstmals mittels biogeochemischer und molekularbiologischer Methoden die mikrobielle Eisenreduktion in geflutetem Reisfeldboden in Anwesenheit von verschiedenen Eisen(III)-Oxiden (Ferrihydrit, Lepidokrokit, Goethit und Hämatit) und unterschiedlichen Kohlenstoffquellen (13C2-Acetat und 13C3-Lactat) untersucht. Die Anwendung der Stabilen Isotopenbeprobung ermöglichte dabei die Verknüpfung von Funktion und phylogenetischer Einordnung der metabolisch aktiven Mikroorganismen und erlaubte die Identifizierung von bekannten und neuartigen eisenreduzierenden Mikroorganismen als funktionelle Gilde im Reisfeldboden ohne ihre vorherige Kultivierung. Die Zugabe von Acetat als ein zentrales Intermediat im anaeroben Stoffwechsel führte unter eisenreduzierenden Bedingungen zur Detektion von bakteriellen Populationen, die bekannten Geobacter und Anaeromyxobacter spp. (delta-Proteobacteria) zugeordnet werden konnten. In Anwesenheit von Goethit zeigten diese beiden Cluster sogar eine vergleichbare Abundanz, was auf die Ausbildung von unterschiedlichen ökologischen Nischen innerhalb des Ökosystems hinweist. Die detektierten neuartigen Bakterien-Cluster sind phylogenetisch in den Familien der Clostridiaceae und Paenibacillaceae (Firmicutes) angesiedelt, wurden bislang jedoch nicht mit der dissimilatorischen Eisenreduktion in Verbindung gebracht. Ob diese Populationen Lactat oder die daraus resultierenden Abbauprodukte Acetat und Propionat metabolisieren, ist anhand der Ergebnisse nicht ersichtlich. Auch in den mitgeführten Kontrollen (ohne Zugabe von Eisen[III]-Oxiden) wurde der Einbau des stabilen Kohlenstoffisotops (13C) nachgewiesen. Die Analyse der 16S rRNA zeigte, dass es zu einer starken Aktivierung von Vertretern der Rhodocyclaceae (beta-Proteobacteria) kam. Die beobachtete Aktivität dieser Population in den Ansätzen mit Goethit und Hämatit stützt die in dieser Arbeit aufgestellte Hypothese, dass diese bisher nicht kultivierten Rhodocyclaceae an der Reduktion von Eisen(III)-Oxiden mit geringer Bioverfügbarkeit beteiligt sein könnten. Neben der Identifizierung der dissimilatorisch eisenreduzierenden Mikroorganismen unter diversen physiologischen Bedingungen, wurde der Einfluss charakteristischer Eigenschaften (z.B. Kristallinität, Oberflächen- und Partikelgröße) der Eisen(III)-Oxide auf die mikrobielle Reduzierbarkeit untersucht. Die Zugabe der verschiedenen Eisen(III)-Oxide resultierte in einem selektiven Effekt auf die mikrobielle Gemeinschaft der Eisenreduzierer in geflutetem Reisfeldboden. Es wurden nicht nur Eisen(III)-Oxid-spezifische und phylogenetisch diverse Populationen angereichert, sondern es zeigten sogar einige Spezies desselben Genus (Geobacter) eine Spezialisierung auf bestimmte Eisen(III)-Oxide mit unterschiedlichem Redoxpotential. Diese Beobachtung weist auf eine hohe funktionelle Diversität innerhalb dieser phylogenetisch, auf Ebene der 16S rRNA-Gene sehr ähnlichen Gruppe von Mikroorganismen hin und bietet somit einen interessanten Ansatzpunkt für vergleichende Analysen auf Genombasis. Mit Hilfe der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Diversität eisenreduzierender Mikroorganismen im natürlichen Habitat weitaus größer ist als bisher angenommen. Neben dem zur Verfügung stehenden Elektronendonor hat die Eisen(III)-Oxid-Phase einen maßgeblichen Einfluss auf die metabolisch aktive mikrobielle Gemeinschaft. Die Identifizierung der eisenreduzierenden Mikroorganismen als funktionelle Gilde leistet außerdem einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Eisenreduktion und der daran gekoppelten Prozesse im Modellsystem Reisfeldboden