Impact of Oxygen and Pesticides on Microbial Cellulose Degradation in Aerated Agricultural Soils: A Microscaled Analysis of Processes and Prokaryotic Populations

Effekt von Sauerstoff und Pestiziden auf den Mikrobiellen Zellulose-Abbau in belüfteten Ackerböden: Eine mikroskalierte Untersuchung von Prozessen und prokaryotischen Populationen

The polysaccharide cellulose is a major component of organic matter in terrestrial ecosystems and its mineralization drives carbon fluxes in soil. The degradation of plant-derived saccharides (e.g., cellulose, cellobiose, and glucose) is catalysed by a huge diversity of aerobic and anaerobic microorganisms (including Bacteria, fungi, and protists), but there is limited information about their phylogenetic identities and their in situ relevance in soil. Soil is a heterogeneous habitat in which oxThe polysaccharide cellulose is a major component of organic matter in terrestrial ecosystems and its mineralization drives carbon fluxes in soil. The degradation of plant-derived saccharides (e.g., cellulose, cellobiose, and glucose) is catalysed by a huge diversity of aerobic and anaerobic microorganisms (including Bacteria, fungi, and protists), but there is limited information about their phylogenetic identities and their in situ relevance in soil. Soil is a heterogeneous habitat in which oxic and anoxic microzones co-occur, and in which the distribution of O2 can change rapidly. Hence, the availability of O2 is an important factor that determines the activity of the saccharide-degrading community in microzones of aerated soil. Likewise, the accumulation of potential toxic pesticides in agricultural ecosystems might influence microbial activity. It is not resolved how active cellulolytic and saccharolytic taxa respond to rapid changes in the availabilities of O2. Furthermore, it is unclear if pesticides impact on the degradation of cellulose and cellulose-linked processes, and influence the activity of active saccharide-utilizing microorganisms. Hence, this study first identified cellulolytic and saccharolytic aerobic and anaerobic Prokaryotes that catalyzed the degradation of supplemented [13C]-labeled saccharides by 16S rRNA stable isotope probing. The metabolic response of major bacterial taxa to pesticides and fluctuating availabilities of O2 was further analyzed with taxon-specific qPCR assays. Eukaryotes that contributed to soil carbon flux were identified by targeting 18S rRNA genes by the collaborative group of Dr. A. Chatzinotas at the Helmholtz Centre (UFZ) in Leipzig. Cellulose, cellobiose, and glucose were mineralized to carbon dioxide under oxic conditions, whereas different fermentation products accumulated under anoxic conditions. Fermentations occurred concomitant with the apparent reduction of nitrate and ferric iron. The degradation of supplemented saccharides was stable under oxic and anoxic conditions. Archaea were no active constituents of the cellulose-degrading community in the investigated soil. [13C]-cellulose was mainly degraded by Kineosporiaceae (Actinobacteria), the cellulolytic taxon Cluster III Clostridiaceae (Firmicutes), and the new family-level taxon 'Cellu1-3' (Bacteroidetes) under anoxic conditions. Under oxic conditions, the new family-level taxa 'Sphingo1-4' (Bacteroidetes) and 'Deha1' (Chloroflexi), and Planctomycetaceae (Planctomycetes) were involved. Active community members in [13C]-cellobiose and [13C]-glucose treatments differed from those in [13C]-cellulose treatments, and were selectively activated by O2. Twenty-eight of the 48 labeled bacterial family-level taxa did not closely affiliate with cultured species. Labeled Eukaryotes belonged to the families Bodonidae, Eustigmataceae, Mallomonadaceae, Opistonectidae, unclassified Chrysophyceae, and unclassified Stramenopiles. These families inhabit autotrophic algae and bacteriovorus flagellates. It is likely that these active Eukaryotes were labeled by incorporation of [13C]-carbon derived from grazing on active cellulolytic and saccharolytic soil bacteria. Fungi were not labeled in stable isotope probing experiments. The pesticides Bentazon, MCPA and Nonylphenol impaired cellulose-linked microbial processes only at pesticide concentrations far above the recommended rate. The impairment was most pronounced under anoxic conditions. Planctomycetaceae and the new family-level taxon 'Sphingo1-4' were sensitive to pesticide addition under oxic conditions, whereas Cluster I Clostridiaceae and the new family-level taxon 'Cellu1-3' were reduced under anoxic conditions. Nevertheless, the impact of pesticides on the degradation of saccharides at in situ-relevant concentrations seems to be minimal. These collective findings suggest that (i) a large uncultured diversity of Bacteria was involved in the degradation of cellulose, (ii) O2 selectively activates different cellulolytic and saccharolytic taxa, (iii) Cluster III Clostridiaceae, and the new family-level taxa 'Sphingo1-4' and 'Cellu1-3' represent the major cellulolytic constituents of the microbial community in the investigated agricultural soil, whereas Cluster I Clostridiaceae, Intrasporangiaceae and Micrococcaceae are saccharolytic satellite organisms that utilize cellulose-derived carbon, and (iv) the degradation of plant-derived saccharides is a community function that is stabilized by the rapid response of active bacterial taxa and independent of fluctuating availabilities of O2 and of pesticide application.show moreshow less
Zellulose stellt in terrestrischen Ökosystemen einen Hauptbestandteil organischer Substanz dar und treibt durch seine Mineralisierung den Kohlenstofffluss in Böden an. Der Abbau von pflanzlichen Zuckern (z.B. Zellulose, Zellobiose und Glukose) wird von einer großen Diversität aerober und anaerober Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Protisten) katalysiert, wobei das Wissen über deren phylogenetische Zuordnung, sowie deren ökologische Relevanz in Böden begrenzt ist. Böden stellen einen heterogenenZellulose stellt in terrestrischen Ökosystemen einen Hauptbestandteil organischer Substanz dar und treibt durch seine Mineralisierung den Kohlenstofffluss in Böden an. Der Abbau von pflanzlichen Zuckern (z.B. Zellulose, Zellobiose und Glukose) wird von einer großen Diversität aerober und anaerober Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Protisten) katalysiert, wobei das Wissen über deren phylogenetische Zuordnung, sowie deren ökologische Relevanz in Böden begrenzt ist. Böden stellen einen heterogenen Lebensraum dar, in dem oxische und anoxische Mikrozonen nebeneinander auftreten und sich die Verteilung von Sauerstoff (O2) schnell ändern kann. In gut belüfteten Böden kann die Verfügbarkeit von O2 deshalb als ein ausschlaggebender Faktor für die Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft gesehen werden. Des Weiteren ist es denkbar, dass die Akkumulation von potenziell giftigen Pestiziden einen Einfluss auf die mikrobielle Gemeinschaft ausübt. Es ist nicht geklärt, in wie fern zellulolytische (d.h. zelluloseabbauende) und saccharolytische (d.h. zellobiose- und glucoseabbauende) Gruppen auf plötzliche Änderungen der O2-Verfügbarkeit reagieren und ob Pestizide den Abbau von Zellulose und die Aktivität von zuckerabbauenden Mikroorganismen beeinträchtigen. Die vorliegende Studie identifizierte durch 16S rRNA basierte Stabile-Isotopenbeprobung aerobe und anaerobe Prokaryoten, die den Abbau von [13C]-markierten Zuckern katalysierten. Die metabolische Reaktion bedeutender bakterieller Gruppen auf Pestizide sowie wechselnde O2-Verfügbarkeit wurde mittels gruppenspezifischer qPCR-Assays untersucht. Am Kohlenstofffluss beteiligte Eukaroyten wurden auf Basis ihrer 18S rRNA Gene durch die Arbeitsgruppe von Dr. A. Chatzinotas am Umweltforschungzentrum Leipzig identifiziert. Zugesetzte Zucker wurden unter oxischen Bedingungen vollständig zu Kohlenstoffdioxid abgebaut, wohingegen während des anaeroben Abbaus Gärungsprozesse zeitgleich mit der Reduktion von Nitrat und Eisen abliefen. Archaeen stellten im untersuchten Boden keinen aktiven Bestandteil der zuckerabbauenden Gemeinschaft dar. [13C]-markierte Zellulose wurde unter anoxischen Bedingungen vornehmlich von Vertretern der Kineosporiaceae (Actinobacteria), zellulolytischen Vertretern des Cluster III der Clostridiaceae (Firmicutes), sowie der neu definierten Familien-ähnlichen Gruppe 'Cellu1-3' (Bacteroidetes) abgebaut. Unter oxischen Bedingungen waren die neuen Familien-ähnlichen Gruppen 'Sphingo1-4' (Bacteroidetes) und 'Deha1' (Chloroflexi), sowie Vertreter der Planctomycetaceae (Planctomycetes) beteiligte Hauptgruppen. Die aktive [13C]-zellobiose- und [13C]-glukoseabbauende Gemeinschaft unterschied sich von der [13C]-zelluloseabbauenden Gemeinschaft. Auch fand eine selektive Aktivierung aktiver aerober und anaerober Gruppen durch das Vorhandensein bzw. Fehlen von O2 statt. 28 der 48 detektierten und markierten bakteriellen Familien wiesen keinen bekannten kultivierten Vertreter auf und stellten somit neue Familien-ähnliche Gruppen dar. Markierte Eukaryoten wurden den Familien Bodonidae, Eustigmataceae, Mallomonadaceae, Opistonectidae sowie nicht klassifizierten Chrysophyceaea und Stramenopiles zugeordnet. Diese Familien werden von autotrophen Algen und bakterivoren Flagellaten repräsentiert. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die [13C]- Markierung dieser Eukaryoten aus der Beweidung von aktiven zellulolytischen und saccharolytischen Bodenbakterien resultiert. Pilze wurden in keinem Experiment der Stabilen-Isotopenbeprobung markiert. Die Pestizide Bentazon, MCPA sowie Nonylphenol beeinträchtigten mikrobielle Prozesse ausschließlich unter sehr hohen Pestizidkonzentrationen. Anaerobe Prozesse wurden dabei am Stärksten beeinträchtigt. Des Weiteren sank unter oxischen Bedingungen die Abundanz der Familie Planctomycetaceae und die der neuen Gruppe 'Sphingo1-4', wohingegen Vertreter des Cluster I der Clostridiaceae und die neue Gruppe 'Cellu1-3' unter anoxischen Bedingunge reduziert wurden. Dennoch scheinen in situ-relevante Pestizidkonzentrationen nur einen minimalen Effekt auf den Abbau von Zuckern zu haben. Die gesammelten Ergebnisse zeigen, dass (i) eine große unkultivierte, bakterielle Diversität am Abbau von Zellulose beteiligt ist, (ii) die Verfügbarkeit von O2 ein ausschlaggebender Faktor für die Aktivierung verschiedener zellulolytischer und saccharolytischer Gruppen ist, (iii) Vertreter des Cluster III der Clostridiaceae sowie der neuen Gruppen 'Sphingo1-4' und 'Cellu1-3' den zellulolytischen Haupbestandteil der mikrobiellen Gemeinschaft darstellen, wohingegen Vertreter des Cluster I der Clostridiaceae, der Intrasporangiaceae und der Micrococcaceae als saccharolytische Satelliten bezeichnet werden können, da diese freiwerdende Zucker aus Zellulose abbauen und (iv) der Abbau von pflanzlichen Zuckern durch die schnelle metabolische Antwort aktiver bakterieller Gruppen stabilisiert wird und unabhängig von schwankender O2-Verfügbarkeit oder Pestizidapplikation ist.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Stefanie Schellenberger
Advisor:Prof. Dr. Harold L. Drake
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:24.04.2012
Year of Completion:2011
SWD-Keyword:Ackerboden; Cellulose; Mikrobieller Abbau; Pestizid; Sauerstoff
Tag:cellulose; degradation; microbial; oxygen; pesticide
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-10021
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):28.06.2012