Characterization of microbial community members and catabolic genes selected for performance under pollutant stress

Morales, Daiana De Lima

Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylole (BTEX) sind Umweltschadstoffe. In der vorliegenden Arbeit sollten die Genome von zwei Schlüsselorganismen des Benzolabbaus sequenziert und assembliert werden, um die Organisation des Abbauweges aufzuklären und der Frage nachzugehen, aus aus welchem Grunde diese in der Umwelt unter Schadstoffstress einen Vorteil haben. Darüber hinaus analysierte ich die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und der Gen-Strukturen des Schadstoffabbaus kontaminierter Böden bei gleichbleibender Belastung mit Benzol und BTEX. Die Genome von Pseudomonas veronii 1YdBTEX2 und 1YB2 haben Benzol einzigartige Abbauwege, die ein für eine Isopropylbenzol Dioxygenase kodierendes Gen-Cluster, in dem die für nachgeschaltete Enzyme kodierenden Gene durch Stop-Codons unterbrochen werden, beinhalten. Extradiol Dioxygenasen wurden aus Gen-Clustern rekrutiert, die über ein für eine 2-Hydroxymuconsäuresemialdehyd Dehydrogenase kodierendes Gen verfügen, welches für den Benzolabbau unabdingbar ist. Die unabhängig von diesen Genen kodierte Benzoldihydrodiol Dehydrogenase wies nur geringe Ähnlichkeit mit bisher beschriebenen Enzymen des Aromatenabbaus auf. Beide Stämme beherbergen zudem für ungewöhnliche Eigenschaften kodierende Gene wie ein Gen-Cluster zur Synthese des Siderophors Pyochelin, Gene für Enzyme zur vollständigen Denitrifikation, die in einem superoperonischen Cluster organisiert sind und ein Gen-Cluster welches für eine [NiFe]-Hydrogenase zur Nutzung von Wasserstoff als alternativem Elektronenspender kodierende Gene beinhaltet. Um Gemeinsamkeiten oder Unterschiede in der Anpassung mikrobieller Gemeinschaften an Schadstoffstress zu analysieren, wurden drei Bodentypen konstant mit Benzol/BTEX inkubiert . Während der einer in-situ Sanierung unterworfene Boden nur geringfügige Veränderungen in der Gemeinschaftsstruktur zeigte, wiesen andere kontaminierte Bodenproben eine klare Abfolge von Phylotypen auf. Nach längerer Inkubation nahmen Actinobacterium-Phylotypen deutlich in ihrer relativen Häufigkeit zu. Die beobachteten Veränderungen in den mikrobiellen Gemeinschaften konnten mit Verschiebungen in der Zusammensetzung von in den Abbau von BTEX/Benzol involvierten Genen korreliert werden. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem besseren Verständnis von Mikroorganismen, die sich unter Schadstoffstress durchsetzen, bei und erweitert das Wissen über die Gemeinschaftsleistungen von Bakterien unter ungünstigen Umweltbedingungen.

Benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes (BTEX) are environmental contaminants. In the current thesis I aimed to sequence and assemble the genomes of two key players for benzene degradation, in order to elucidate the organization of the pathways and reveal why these isolates prevail pollutant stress. More widely, I analyzed microbial community and catabolic gene structures of contaminated soils from different origins under constant benzene and BTEX contamination. The genomes of P. veronii 1YdBTEX2 and P. veronii 1YB2 were sequenced, assembled and annotated. Analysis of the benzene catabolic pathways revealed that they harbor unique catabolic pathways comprising a gene cluster encoding an isopropylbenzene dioxygenase where genes encoding downstream enzymes were interrupted by stop codons. Extradiol dioxygenases were recruited from gene clusters comprising genes encoding a 2-hydroxymuconic semialdehyde dehydrogenase necessary for benzene degradation but typically absent from isopropylbenzene dioxygenase encoding gene clusters. The benzene dihydrodiol dehydrogenase encoding gene was not clustered with any other aromatic degradation gene and the encoded protein was only distantly related to dehydrogenases of aromatic degradation pathways. Both Pseudomonas veronii strains harbour unique features such as gene clusters for the synthesis of the siderophore pyochelin, a complete denitrification pathway organized in one superoperonic cluster and a gene cluster comprising a [NiFe]-hydrogenase for the use of hydrogen as alternative electron donor. In order to identify commonalities or differences in the adaptation of microbial communities to pollutant stress, three types of soil were subjected to a constant supply of benzene or BTEX. Whereas soil previously subjected to intensive in-situ bioremediation showed only negligible changes in community structure, other contaminated soil samples showed a clear succession of phylotypes. After extended incubation, actinobacterial phyloypes were increasing in relative abundance. The observed shifts in the microbial communities could be correlated with shifts in the composition of catabolic genes, which might be involved in the catabolism of benzene/BTEX and selected under respective pollutant stress. Overall, this work contributes to a better understanding on bacteria becoming dominant under pollutant stress and expands the knowledge on bacterial community performance under unfavorable conditions.

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Morales, Daiana De Lima: Characterization of microbial community members and catabolic genes selected for performance under pollutant stress. 2014.

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