Functioning of a 4-chlorosalicylate degrading bacterial consortium: understanding responses to environmental challenges

Kaminski, Filip Jakub

In dieser Arbeit wurde die Funktion einer 4-Chlorsalicylat (4-CS) abbauenden mikrobiellen Gemeinschaft unter sich verändernden Umweltbedingungen untersucht. Die genetische und biochemische Analyse von Pseudomonas reinekei MT1, der als einziger Stamm der Gemeinschaft befähigt ist, 4-CS in Monokultur zu verwerten, führte zur Identifizierung zweier neuer Gencluster. Das sal Gencluster kodiert für eine Salicylat 1-Hydroxylase, eine Catechol 1,2-Dioxygenase und eine Muconat Cycloisomerase, welche speziell an den Abbau methylsubstituierter Derivative angepasst, aber auch für den Abbau von 4-CS wichtig sind. Die Gene des pca Clusters kodieren für Enzyme des Protocatechuat-Astes des 3-Oxoadipat-Abbauweges und sind entscheidend für das Einleiten von 3-Oxoadipat als Metabolit des 4-CS-Abbaus in den zentralen Stoffwechsel. Durchflusszytometrie/FISH Technik wurde entwickelt, um die Zusammensetzung der Gemeinschaft zu charakterisieren. In kontinuierlicher Kultur des Konsortiums wurde Achromobacter xylosoxidans MT3 als anteilsmäßig häufiges Gemeinschaftsmitglied nachgewiesen. Eine Steigerung der Verdünnungsrate führte zu einem aussergewöhnlichen Anstieg der Biomasse und Veränderungen in der Zusammensetzung der Gemeinschaft mit einer Zunahme an MT3. Somit ist die Effizienz der 4-CS Assimilierung von der Gemeinschaftszusammensetzung abhängig und positiv mit dem Anteil an MT3 korreliert, was darauf hinweist, dass MT3 durch MT1 produzierte Metabolite verwertet. Anaerobiose erwies sich als schädlich für die Funktionsfähigkeit des Konsortiums, da durch den Stamm MT1 produziertes 4-Chlorcatechol zu erheblichen Veränderungen in der Zusammensetzung führte. Bemerkenswerterweise war die Gemeinschaft unter günstigen Bedingungen zu einer raschen Erholung befähigt und erlangte ihre ursprüngliche Zusammensetzung und Funktion. Zusammenfassend deuten die Experimente darauf hin, dass das Vorkommen von MT3 in dem Konsortium für die Prävention und Überwindung von Störeinflüssen nötig ist.

Biodegradation of recalcitrant xenobiotic pollutants often involves the coordinated action of complex microbial communities. The functioning of a bacterial consortium, that had been isolated for its capability to grow on 4-chlorosalicylate (4-CS), was studied upon environmental perturbations. Genetic and biochemical analysis of Pseudomonas reinekei MT1, the only consortium member that can grow on 4-CS as monoculture, revealed two novel gene clusters. A salicylate 1-hydroxylase, catechol 1,2-dioxygenase and muconate cycloisomerase encoded in the sal gene cluster are specialized for converting methylsubstituted derivatives but also crucial for 4-CS degradation. Genes from the pca cluster encode enzymes of the protocatechuate branch of the 3-oxoadipate pathway essential for channeling of 3-oxoadipate derived from 4-CS degradation into the central metabolism. FISH-flow cytometry enumeration technique was developed to allow quantitative characterisation of the microbial community. In the consortium culture under continuous chemostat conditions strain Achromobacter xylosoxidans MT3 was identified as an abundant member of the community. An increase in dilution rate resulted in a remarkable increase in biomass and in alterations in community composition, with MT3 becoming its predominant member. Thus, the efficiency of 4-CS assimilation depends on the composition of the community and correlates positively with the content of MT3, providing evidence that this strain shares metabolites produced by MT1. Anaerobiosis had a detrimental effect on the functioning of the consortium, where the accumulation of toxic 4-chlorocatechol produced by MT1 resulted in severe alterations of the community composition. Remarkably, under favourable conditions the community was capable to rapidly recover its structure and function. Overall, these experiments indicate that the presence of MT3 in the consortium is crucial for preventing and overcoming environmental perturbations.

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Kaminski, Filip Jakub: Functioning of a 4-chlorosalicylate degrading bacterial consortium: understanding responses to environmental challenges. 2012.

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