Abschätzung des Abbaupotentials mikrobieller Biozönosen und Identifizierung der am organischen Abbau beteiligten Bakteriengruppen mittels Isotopenmassenspektrometrie (IRMS)

Tillmann, Stefanie

In der mikrobiellen Ökologie ist die Messung von stabilen Isotopen eine aussagekräftige Methode zur Aufklärung neuer Stoffwechselwege sowie zur Beschreibung verschiedener Mikroorganismengruppen in komplexen Gemeinschaften. Die Isotopenmassenspektrometrie ermöglicht nach Zugabe geringer Mengen 13C-markierten Substrats den Kohlenstofffluss in die bakterielle Zelle und seine Komponenten nachzuvollziehen. Die Analyse von Taxa-spezifischen Molekülen, sogenannte Biomarker wie Fettsäuren und Nukleinsäuren, verknüpft die Informationen von Struktur einer Biozönose mit der Funktion einzelner mikrobieller Gruppen. Innerhalb eines definierten bakteriellen Konsortiums in kontinuierlicher Kultur wurde mittels Isotopenanalyse von spezifisch separierten 23S-rRNA-Molekülen ein Pseudomonas-Stamm als Hauptabbauer von 4-Cl-Catechol identifiziert. In Biofilmen, welche direkt auf polychlorierten Biphenylen (PCB) aufwuchsen, konnte in einem polyphasischen Ansatz Stämme der Gattung Burkholderia als Abbauer bestimmt werden. In komplexem Belebtschlamm erfolgte die Metabolisierung von 4-Cl-Catechol und Phenol vorwiegend durch Gammaproteobakterien, jedoch von Histidin und Acetat durch hauptsächlich Gram-positive Bakterien. Die Isotopenanalyse von rRNA zusammen mit Biomarkern der Phospholipid-Fettsäuren konnte innerhalb definierter Grenzen nach Zugabe von 13C-markierter Substrate das Abbaupotential verschiedenster mikrobieller Biozönosen beschreiben. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination aus Biomarker-Molekülen und Isotopenmassenspektrometrie die Identifizierung der am Metabolismus beteiligten Bakteriengruppen und die Aufklärung von Nahrungsbeziehungen in situ.

In microbial ecology stable isotope measurement is a powerful tool to identify new metabolic pathways and to elucidate the role of different microorganisms in a complex microbial community. After the application of small amounts of 13C-marked substrates stable isotope measurement allows to monitor the flux of carbon into the bacterial cell and its incorporation into different cellcompounds. Here, the analysis of taxa-specific molecules (biomarker) like fatty acids and nucleic acids is of special interest because they combine phylogenetic and physiological information to identify microorganisms involved in the metabolism of specific substrate. The isotopic analysis of specific separated 23S-rRNA-molecules of a defined bacterial consortium in a continuously growing culture identified a Pseudomonas strain as main degrader of 4-chlorocatechol. In biofilms growing directly on polychlorinated biphenyl (PCB) members of the genus Burkholderia were shown to be main degraders by a polyphasic approach, and in the complex microbial community of activated sludge 4-chlorocatechol and phenol were mainly metabolised by gammaproteobacteria, and histidine and acetate by gram-positive bacteria. This study demonstrates that isotopic analysis of specific separated rRNA-molecules combined with biomarker-molecules of phospholipid fatty acids shows the potential for biodegradation of microbial consortia after addition of 13C-labelled substrates. Moreover, the combination of biomarker molecules and isotope ratio mass spectrometry allows the identification of bacterial taxa involved in biodegradation processes and the elucidation of metabolic networks in situ.

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Tillmann, Stefanie: Abschätzung des Abbaupotentials mikrobieller Biozönosen und Identifizierung der am organischen Abbau beteiligten Bakteriengruppen mittels Isotopenmassenspektrometrie (IRMS). 2004.

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