Methanogene Lebensgemeinschaften unter Stressbedingungen

Methan spielt in anoxischen Habitaten eine wichtige Rolle als finales Endprodukt beim anaeroben Abbau von organischem Material. Ein Beispiel für anoxische Habitate sind geflutete Lebensräume, wie Reisfeldböden. In diesen Böden entsteht Methan durch die im Boden lebenden methanogenen Mikroorganismen und wird primär aus Acetat oder Kohlenstoffdioxid in Verbindung mit Wasserstoff gebildet. Die Anpassungen der Diversität und der Aktivität der methanogenen Gemeinschaft an verschiedene Wassergehalte im Boden, besonders nach einer Austrocknung, wurden bisher nicht ausreichend untersucht. Mit der vorliegenden Arbeit wurde deshalb der Einfluss von verschiedenen Wassergehalten bei zwei verschiedenen Reisfeldböden (philippinischer und italienischer Herkunft) mittels klassischer Analysen (GC; HPLC; GC-IRMS) sowie molekularbiologischen Methoden (qPCR, T-RFLP des archaeellen 16S-rRNA-Gen und Sequenzierung der mcrA-Transkripte) analysiert. Die Methanogenese korrelierte dabei positiv mit der Höhe des Wassergehalts. Für eine nachweisbare Methanproduktion wurde eine Wasserverfügbarkeit von mindestens 40 % der maximalen Wasserhaltefähigkeit des Bodens benötigt, während die Kohlenstoffdioxidemission bereits bei 17 % anstieg. Dies deutet darauf hin, dass die Freisetzung von Kohlenstoffdioxid aus verschiedenen Fermentationen bei sehr niedriger Bodenfeuchtigkeiten möglich ist und die Bildung von Methan höhere Bodenfeuchtigkeiten benötigt. Die Daten der stabilen Kohlenstoffisotopenfraktionierung weisen darauf hin, dass hydrogenotrophe Methanogenese bei allen Feuchtigkeitsstufen zu Beginn der Inkubationen dominierte, allerdings ist diese bei niedrigen Wasserverfügbarkeiten stark beeinträchtigt. Die initiale Methanproduktion wechselte bei einer geringeren Wiederbefeuchtung schneller von hydrogenotroph zu acetiklastisch als bei völlig gefluteten Inkubationsproben. Die Veränderung des Wassergehalts zeigte nur einen geringen Einfluss auf die Populationsdynamik der methanogenen Lebensgemeinschaft. Die Anpassung an die unterschiedlichen Feuchtigkeitsstufen erfolgte durch Aktivitätsänderungen bestimmter methanogenen Archaeen in der Gemeinschaft. Durch die Sequenzierung der mcrA-Transkripte konnten einzelne Familien der Methanogenen dargestellt werden. Hier zeigte sich, dass Methanosarcinaceae bei niedrigen Wasserverfügbarkeiten stärker aktiv waren als bei völliger Flutung des Bodens. Generell stieg die Anzahl der mcrA-Transkripte und somit die methanogene Aktivität bereits durch eine leichte Erhöhung des Feuchtigkeitsgehalts an. Im philippinischen Reisfeldboden verdoppelten sich die Kopienzahlen und im italienischen Reisfeldboden stiegen die mcrA-Transkripte um das 100-fache im Boden mit bereits niedrigen Wasserverfügbarkeiten an. In feuchteren Inkubationsproben wurden maximale mcrA-Transkriptmengen von 10^8 bis 10^9 pro Gramm Boden nachgewiesen. Die mcrA-Transkriptmengen im philippinischen Boden waren stets etwas niedriger als die im italienischen Reisfeldboden, obwohl die Methanproduktionsraten im philippinischen Boden etwa doppelt so hoch waren wie im italienischen Reisfeldboden. Grundsätzlich war die Diversität im Boden auf DNA-Ebene jedoch unempfindlich auf Austrocknung und Wiederbefeuchtung. Mit den Experimenten konnte somit gezeigt werden, dass der anaerobe Abbau von organischem Material in Reisfeldböden keine vollständige Flutung benötigt. Allerdings verändert sich die Aktivität der methanogenen Gemeinschaft unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen. In einer zweiten Versuchsreihe wurde der Einfluss von einem bewegten System (gerollt, geschüttelt oder magnetisch gerührt) im Vergleich zu einem statischen System auf die Methanproduktion analysiert. In den drei untersuchten Umweltsystemen (Faulschlamm, Flusssediment, Reisfeldboden) war der Unterschied in den bewegten Systemen wenig markant im Vergleich zum statischen System. In einigen Fällen war die Methanproduktion in den bewegten Systemen vermindert oder erreichte eine ähnliche Größenordnung wie im statischen System. Die Ergebnisse belegen, dass die Methanogenen wenig in ihrer Aktivität beeinflusst wurden und die gewählte Bewegungsintensität nicht ausreichte, um die syntrophe Beziehung der Methanogenen zu schädigen. Dennoch konnte im statischen System der Reisfeldbodeninkubationen die höchste Diversität beobachtet werden, was einen Effekt auf die Zusammensetzung der methanogenen Gemeinschaft im Reisfeldboden vermuten lässt. Die Ergebnisse waren dahin gehend sehr stark von den gewählten Umweltsystemen abhängig. Die unterschiedlichen Ergebnisse der Umweltsysteme sollten daher in ihrer positiven oder negativen Wirkung des mechanischen Stresses differenziert betrachtet werden