Mikrobielle Kohlenstoff- und Stickstofftransformationen im Verdauungstrakt von Regenwürmern (Oligochaeta)

Microbial carbon- and nitrogen-transformations in the alimentary canal of earthworms (Oligochaeta)

Der Regenwurmverdauungstrakt ist eine einzigartige Mikrozone in belüfteten Böden, die ideale Bedingungen für mit der Nahrung aufgenommene Bodenmikroorganismen bietet. In vorangegangenen Studien wurde gezeigt, dass die Emission von N2O durch europäische Regenwürmer auf die Aktivierung von aufgenommenen Boden-Denitrifikanten zurückzuführen ist. Bisher ist nicht bekannt, ob die Emission von N2O ein universelles Merkmal von Regenwürmern ist. Zudem ist nicht vollständig geklärt, welche GärungsprozessDer Regenwurmverdauungstrakt ist eine einzigartige Mikrozone in belüfteten Böden, die ideale Bedingungen für mit der Nahrung aufgenommene Bodenmikroorganismen bietet. In vorangegangenen Studien wurde gezeigt, dass die Emission von N2O durch europäische Regenwürmer auf die Aktivierung von aufgenommenen Boden-Denitrifikanten zurückzuführen ist. Bisher ist nicht bekannt, ob die Emission von N2O ein universelles Merkmal von Regenwürmern ist. Zudem ist nicht vollständig geklärt, welche Gärungsprozesse im Verdauungstrakt des Regenwurms relevant und welche gärenden Taxa dort aktiv sind. Ziel dieser Arbeit war es, die Fähigkeit zur N2O-Emission bei neuseeländischen Regenwurmarten zu untersuchen sowie die Diversität potentieller Denitrifikanten im Verdauungstrakt und im umgebenden Boden zu bestimmen. Weitere Ziele waren, die in situ-Bedingungen entlang des Verdauungstrakts von Lumbricus terrestris mit den mikrobiellen C- und N-Transformationen in Verbindung zu setzen sowie metabolisch aktive und Glucose-verwertende Bacteria im Verdauungstraktinhalt zu identifizieren. Die in Neuseeland eingeführten Arten Lumbricus rubellus und Aporrectodea rosea (beide Familie Lumbricidae) emittierten N2O, während die eingeführte Art Octolasion cyaneum (Familie Lumbricidae) nur teilweise und die einheimische Art Octochaetus multiporus (Familie Megascolecidae) kein N2O unter in situ-Bedingungen emittierten. Das N2O-Emissionspotential des einheimischen Wurms war deutlich schwächer ausgeprägt als das der eingeführten Würmer. Die Diversität der Denitrifikantenpopulationen in Verdauungstrakten und umgebenden Böden von L. rubellus und O. multiporus wurden anhand der Analyse von N2O-Reduktasegenen (nosZ) bestimmt. NosZ Sequenzen aus den Verdauungstrakten waren sehr ähnlich zu nosZ Sequenzen aus den umgebenden Böden und verwandt zu unkultivierten Bodenbakterien. N2O und H2 wurden von europäischen Würmern emittiert. Höchste in situ-Konzentrationen von N2O wurden im Kropf/Magen und im Enddarm detektiert, während H2 im Vorder- und Mitteldarm höchste Konzentrationen aufwies. Analog dazu waren eine hohe N2O-Bildung von Wurmabschnitten der Kropf/Magen- und Enddarmregion und eine hohe H2-Bildung von Abschnitten der Mitteldarmregion zu verzeichnen. Diese Ergebnisse deuten an, dass Denitrifikation vornehmlich im Kropf/Magen und Enddarm stattfindet, während H2-freisetzende Gärungen im Vorder- und Mitteldarm dominieren. In situ-Mikrosensormessungen wiesen darauf hin, dass der komplette Verdauungstrakt sauerstofffrei ist. Das Redoxpotential lag im Verdauungstrakt zwischen -203 und +388 mV. Im Verdauungstraktinhalt kamen Saccharide und organische Säuren in hohen Konzentrationen vor. Monosaccharide nahmen entlang des Verdauungstrakts ab. Die höchste Konzentration und die größte Diversität an organischen Säuren wurden im Mitteldarm nachgewiesen. Diese Ergebnisse zeigen, dass mit der Nahrung aufgenommene Mikroorganismen während der Darmpassage sich ändernden Bedingungen ausgesetzt sind und unterstützen die Annahme, dass im Verdauungstrakt verschiedene anaerobe mikrobielle Prozesse in räumlicher und damit auch in zeitlicher Abfolge aktiv sind. In anoxischen Inkubationen von Verdauungstraktinhalt mit Glucose wurden Gase und lösliche organische Verbindungen gebildet, was auf die Aktivität verschiedener Gärungsprozesse im Verdauungstrakt hinweist. Mit Hilfe der 16S rRNA basierten Stabilen-Isotopenbeprobung wurden Clostridiaceae und Enterobacteriaceae als dominante Glucose-Verwerter des Regenwurmverdauungstrakts identifiziert. Weiterhin ergab die Analyse von 16S rRNA aus frisch entnommenem Darminhalt, dass 79 Familien metabolisch aktiv waren, wovon 17 als neue Familien-ähnliche Gruppen definiert wurden. Diese Ergebnisse (a) bestätigen frühere Erkenntnisse, welche die Emission von N2O und N2 durch Regenwürmer auf aktive Denitrifikation in deren Verdauungstrakt zurückführen und (b) zeigen, dass die Fähigkeit zur N2O-Emission auch bei Regenwürmern der südlichen Hemisphäre auftritt, jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt sein kann. Weiterhin wurde demonstriert, (c) dass diverse und teilweise unbekannte Taxa im Regenwurmverdauungstrakt aktiv sind, (d) dass dort Clostridiaceae und Enterobacteriaceae sehr wahrscheinlich an der Verwertung von Sacchariden beteiligt sind und (e) dass aufgenommene obligate Anaerobier und fakultative Aerobier gleichzeitig dieselbe Kohlenstoffquelle nutzen können. Prozessorientierte Inkubationsversuche, in situ-Messungen mit Mikrosensoren, die Charakterisierung der in situ-Bedingungen entlang des Verdauungstrakts sowie die molekularbiologische Analyse der Glucose-verwertenden und denitrifizierenden Bakterien aus dem Verdauungstrakt legen die Schlussfolgerung nahe, dass Regenwürmer durch anaerobe mikrobielle Aktivitäten in ihrem Verdauungstrakt zum terrestrischen C- und N-Kreislauf in belüfteten Böden beitragen und eine bedeutende mobile Elektronenquelle (in Form von emittiertem H2) für die Mikrobiota in diesen Böden darstellen.show moreshow less
The earthworm alimentary canal is a unique microzone in aerated soils that has been proposed to selectively stimulate ingested soil microorganisms by its in situ conditions. Previous studies have documented the capacity of European earthworms to emit N2O, an activity attributed primarily to the activation of ingested soil denitrifiers. However, it is not known, whether the emission of N2O is a general trait of earthworms. Furthermore, fermentation processes and active fermentative taxa in the alThe earthworm alimentary canal is a unique microzone in aerated soils that has been proposed to selectively stimulate ingested soil microorganisms by its in situ conditions. Previous studies have documented the capacity of European earthworms to emit N2O, an activity attributed primarily to the activation of ingested soil denitrifiers. However, it is not known, whether the emission of N2O is a general trait of earthworms. Furthermore, fermentation processes and active fermentative taxa in the alimentary canal of earthworms are unresolved. Thus, the objective of this work was to examine different species of earthworms in New Zealand for their capacity to emit N2O and to assess the diversity of potential denitrifiers in alimentary canals and in soils. Further objectives were to resolve potential links between in situ conditions and microbial C- and N-transformations during gut passage of Lumbricus terrestris and to identify metabolically active and glucose-consuming Bacteria in the alimentary canal content. In New Zealand, the introduced species Lumbricus rubellus and Aporrectodea rosea (family Lumbricidae) emitted N2O, whereas emission of N2O by the introduced species Octolasion cyaneum (family Lumbricidae) and the native species Octochaetus multiporus (family Megascolecidae) were variable and negligible, respectively. The native species displayed a lower capacity to emit N2O than the introduced species. Analysis of the denitrifier populations in alimentary canals and soils by nitrous oxide reductase genes (nosZ) revealed that nosZ sequences detected in the alimentary canals of L. rubellus and O. multiporus were similar to those retrieved from soil and were distantly related to uncultured soil bacteria and genera common to soils. N2O and H2 were emitted by living European earthworms. In situ microsensor analyses revealed that highest N2O concentrations occurred in crop/gizzard and hindgut regions, whereas the highest H2 concentrations occurred in foregut and midgut regions. Consistently, highest amounts of N2O were produced by earthworm sections containing the crop/gizzard and the hindgut and highest amounts of H2 were produced by earthworm sections containing the midgut. Thus, denitrification was more localized in crop/gizzard and hindgut, whereas H2-producing fermentations dominated in foregut and midgut. In situ microsensor analyses indicated that the complete alimentary canal is anoxic. The redox potential in the alimentary canal ranged between -203 and +388 mV. The alimentary canal contained high concentrations of saccharides and organic acids. Monosaccharides decreased along the alimentary canal. The highest concentration and highest diversity of organic acids were detected in the midgut. These data show that ingested microorganisms are exposed to changing in situ conditions during gut passage, indicating that different anaerobic microbial activities occur spatially and consequently in temporal sequence in the alimentary canal. In anoxic incubations of alimentary canal content, supplemental glucose yielded gases and soluble organic compounds, products indicative of diverse fermentations in the alimentary canal. By the use of 16S rRNA based stable isotope probing, Clostridiaceae and Enterobacteriaceae were identified as dominant utilizers of glucose-derived carbon in the earthworm alimentary canal. Based on the analysis of 16S rRNA derived from fresh gut content, 79 families were metabolically active, 17 of which were novel family-level groups. These collective findings (a) corroborate previous findings that link the emission of N2O and N2 by earthworms to active denitrification in the alimentary canal and (b) indicate that species from the southern hemisphere emit N2O, but also implicate that species may not have equal capacities to emit N2O. Furthermore, the presented data (c) illustrate the large diversity of soil taxa that might be active during gut passage, (d) suggest that Clostridiaceae and Enterobacteriaceae might be capable of consuming saccharides during gut passage, and (e) indicate that ingested obligate anaerobes and facultative aerobes from soil can concomitantly metabolize the same source of carbon. Microcosm experiments, in situ microsensor analyses, the characterization of the in situ conditions along the alimentary canal, and molecular analysis of the glucose-consuming and denitrifying bacteria from the alimentary canal suggest that earthworms contribute to terrestrial cycling of C and N in aerated soils via anaerobic microbial activities in the alimentary canal and constitute a mobile source of reductant (i. e., emitted H2) for microbiota in these soils.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Pia Katharina Wüst
Advisor:Prof., Ph.D. Harold L. Drake
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:29.07.2011
Year of Completion:2010
SWD-Keyword:Anaerober Stoffwechsel; Bodenmikrobiologie; Denitrifikation; Gärung; Wasserstoff
Tag:Darmbakterien; Lumbricidae; Megascolecidae; Mikrosensor; Stabile-Isotopenbeprobung
Lumbricidae; Megascolecidae; gut bacteria; microsensor; stable isotope probing
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
RVK - Regensburg Classification:Mikrobiolo
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-9107
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):19.09.2011