Thermophilic methanogenic Archaea in compost : temporal change of community composition, potential activity and distribution

Die Kompostierung als vorwiegend aerober Abbauprozess organischen Abfalls wurde bisher als Habitat für methanogene Mikroorganismen wenig beachtet, obwohl vereinzelt Methanemissionen aus Kompostmieten beschrieben wurden. In der vorliegenden Arbeit konnte ein Vorkommen moderat thermophiler methanbildender Archaea in acht untersuchten Kompostmaterialien gezeigt werden. So wurde unabhängig von dem Ursprung des zu kompostierenden Materials und der Kompostprozessierung ein Temperaturoptimum für die potentielle Methanbildung bei 50 °C bzw. bei 65 °C festgestellt. Bei 50 °C lag die Methanbildungsrate der Materialien zwischen 10,1 und 977,7 nmol CH4 g-TG-1 h-1. Unabhängige Quantifizierungsansätze mittels MPN- PCR-Analyse und Berechnungen unter Einbeziehung der Methanbildungsrate zeigten mit Werten von 0,2 bis 6 × 107 Zellen g-TG-1 eine hohe Anzahl an Archaea im Kompostmaterial. Detaillierte molekularbiologische Untersuchungen von Material einer ausgewählten Kompostierungsanlage verschafften einen tieferen Einblick in die vorhandene Archaea-Gemeinschaft. Auf Grund der erhaltenen Ergebnisse muss vermutet werden, dass die Archaea-Population im Kompost durch Methanosarcina thermophila und Spezies der Gattung Methanothermobacter dominiert wird. Darüber hinaus konnten Hinweise auf das Vorkommen weiterer moderat thermophiler Methanogener wie Methanoculleus thermophilus und Methanobacterium formicicum erhalten werden. Insgesamt wurde im reifen Kompostmaterial die höchste Diversität von Archaea festgestellt. Hier zeigte sich, dass 33 % der über die Klonierung detektierten 16S rRNA-Gensequenzen Archaea wie u.a. "Rice Cluster"-I (RC-I), RC-III und dem nicht methanogenen RC-IV zuzuordnen waren. Die Mitglieder dieser Cluster wurden in mehreren Studien im Wurzelraum von Reispflanzen detektiert, und erst kürzlich konnte ein Stamm des RC-I auch isoliert werden. In der vorliegenden Arbeit konnte nach der Untersuchung unterschiedlicher Kompostmaterialien über eine PCR-SSCP Analyse ("single-strand-conformation-polymorphism") festgestellt werden, dass Vorkommen und Anreicherung verschiedener thermophiler methanogener Spezies in Komposten verschiedener Anlagen abhängig von dem zu kompostierenden Material sind. Die durch Klonierung und T-RFLP ("terminal-restriction-fragment-length-polymorphism") erhaltenen Ergebnisse sowie die Feststellung unterschiedlicher Temperaturoptima für die potentielle Methanbildung verschieden alter Kompostmaterialien, machten einen Populationsshift der methanogenen Archaea im Laufe des Kompostierungsprozesses offensichtlich. Gezielte Untersuchungen mittels PCR-SSCP Analysen konnten in diesem Zusammenhang vor allem den Einfluss der im Material herrschenden Temperaturen und der Substratverfügbarkeit auf diese Sukzession deutlich machen. Die Beobachtung, dass in 23 von 29 überwiegend oxischen Böden das Potential zur Methanbildung bei höheren Temperaturen vorhanden war, lieferte deutliche Hinweise auf eine weite Verbreitung thermophiler methanogener Mikroorganismen. Die Möglichkeit einer Verbreitung der thermophilen Methanogenen aus Kompost über die Luft wurde durch die Untersuchung von Bioaerosolen einer Kompostierungsanlage bestätigt. Diese zeigten ein dem korrespondierenden Kompostmaterial ähnliches Archaea SSCP-Profil sowie ein deutliches Methanbildungspotential bei 50 °C (nach 5 Tagen Inkubation in Methanosarcina thermophila spezifischer Nährlösung bis 35000 ppmv). Die Vermutung einer Verbreitung der Methanogenen über die Luft wurde durch die in vitro beobachtete Widerstandsfähigkeit der Archaea gegen UV-Licht und Austrocknung unterstützt. Ebenso konnte eine Persistenz der Methanogenen aus Kompost in überwiegend oxischen Böden festgestellt werden und es wurde deutlich, dass die Entwicklung der Archaea Gemeinschaft im Boden abhängig von dem als Dünger eingesetzten Kompost sein kann.Until now, compost, as the result of an aerobic degradation process of organic wastes, has not been regarded as a habitat for methanogenic microorganisms. Nevertheless, it has been shown that composting piles are often sources of atmospheric methane. This work describes the abundance of moderate thermophilic methanogens in eight different compost materials. A temperature optimum for potential methane formation was detected at 50 °C and 65 °C, respectively. At 50 °C, the methane production rates ranged between 10.1 and 977.7 nmol CH4 g-TG-1 h-1. Different quantification methods like MPN-PCR analysis and cell number calculations using the methane production rate, revealed cell numbers of 0.2 to 6 × 107 cells g-TG-1 and thus showed a high number of methanogenic Archaea in compost materials. The detailed investigations of compost materials using molecular methods provided a deeper insight in the archaeal populations. In the investigated compost materials the dominating methanogens belonged to relatives of Methanosarcina thermophila and species of the genus Methanothermobacter. Furthermore the results also pointed at the abundance of Methanoculleus thermophilus and Methanbacterium formicicum. The highest diversity of methanogenic Archaea was detected in the mature compost material. Here, 33 % of the cloned 16S rRNA gene sequences were assigned to Archaea of the Rice Cluster I (RC-I), RC-III, and the non methanogenic RC-IV. In different published studies, members of these clusters were found in paddy soil and on rice roots. Very recently, the first isolate of the RC-I was obtained. PCR-SSCP analysis ("single strand conformation polymorphism") of different compost materials showed that the abundance and enrichment of thermophilic methanogens in compost depended on the input material. The results of cloning and of T-RFLP analysis ("terminal restriction fragment polymorphism") as well as the detection of different temperature optima for potential methane production in materials of different maturity, clearly showed a population shift of the methanogenic Archaea during compost maturation. In this context, PCR-SSCP analysis showed that temperature and substrate availability are two factors which mainly influence this succession. A total of 23 from 29 predominantly oxic soils showed a potential methane formation at 50 °C. These results showed the wide distribution of thermophilic methanogens in soils of the temperate zone. A possible distribution of thermophilic methanogens in compost via the wind path was confirmed by the investigation of bioaerosols collected on a composting plant. SSCP-PCR fingerprint analysis showed the same dominant bands in the bioaerosol and in the corresponding compost material. In addition, bioaerosols showed a clear potential methane production during an anoxic incubation at 50 °C in Methanosarcina thermophila specific culture medium (after 5 days 35,000 ppmv). The possibility of a distribution of methanogens via air/wind was supported by the in vitro observed resilience against UV radiation and desiccation under oxic conditions. Likewise a persistence of thermophilic methanogens in oxic soils was observed. It also became apparent that during the use of compost as fertilizer the enrichment of a specific thermophilic methanogenic population in soil depends on the applied compost material