Identification and characterization of the nitrifying microorganisms in a temperate beech forest and in enrichment cultures originating from hot springs at Lake Baikal and Kamchatka

Bakterien und Archaeen sind die hauptverantwortlichen Organismen für Nitrifikation, einem Schlüsselprozess im globalen Stickstoffkreislauf und können in fast allen Habitaten der Welt gefunden werden können. In dieser Studie wurden die nitrifizierenden Mikroorganismen zweier sehr unterschiedliche Habitate untersucht. Zum einen handelte es sich um Anreicherungen, die von heißen Quellen des Baikalsees (Russland) und Kamchatka (Russland) stammen, zum anderen um Boden- und Laubstreuproben (Bodenhorizonte L und F) eines temperaten, sauren Waldstandortes. Die Ammoniak- und Nitrit-oxidierenden Mikroorganismen, der aus heißen Quellen stammenden, bei 46°C wachsenden Anreicherungen, wurden mittels Amplifizierung und Klonierung diverser molekularer Marker (16S rDNA, AmoA, NxrB) untersucht. Daraufhin wurden für diese Mikroorganismen spezifische Sonden entwickelt und die Mikroorganismen mittels FISH detektiert. Nitrit-oxidierende Mikroorganismen aus Anreicherung 8 wurden zusätzlich mittels Immunofluoreszenz-Technik auf die aktive Expression des, für Nitrit Oxidation verantwortlichen Enzyms, Nitritoxidoreduktase (NXR) hin untersucht und mittels Fluoreszenz In Situ Hybridisierung in Kombination mit Mikroautoradiographie auch funktionell getestet. Durch Amplifizierung und Klonierung von 16SrDNA und amoA Genen, konnten die Ammoniak-oxidizerenden Mikroorganismen als zum Phylum der Crenarchaeota zugehörig identifiziert werden. Phylogenetische Analyse der Sequenzen zeigte, dass die Organismen in eine Gruppe unkultivierter Crenarchaeoten fallen, die zwischen der so genannten „marine group I.1a“ und der „SAGMGC-1 group“ liegt. Diese Gruppe von Crenarchaeoten konnte zuvor noch nicht mit Ammoniak-Oxidation in Verbindung gebracht werden. Die Nitrit-oxidizerenden Mikroorganismen konnten als Nitrospira-ähnliche Bakterien identifiziert werden, die aktiv das Enzym Nitritoxidoreduktase exprimierten und bei einer Temperatur von 43°C mit Nitrit als alleiniger Energiequelle aktiv Stoffwechsel betrieben. Die nitrifizierenden Mikroorganismen eines temperaten sauren Waldstandortes wurden ebenfalls mittels Amplifizierung und Klonierung phylogenetischer und funktioneller Markergene charakterisiert. Im Gegensatz zu anderen Studien war es nicht möglich Gene bekannter Nitrifikanten aus den Laubstreuhorizonten zu amplifizieren. Dieses Ergebnis deutet darauf hin dass die Nitrifikation in diesen Horizonten möglicherweise hauptsächlich von heterotrophen Nitrifizierern durchgeführt wird. Für Horizont A war es hingegen möglich Gene aller terrestrisch vorkommenden Nitrifizierer zu detektieren. Für Ammoniak-oxidizerende Archaeen und Nitrospira-ähnlichen Bakterien wurde außerdem auch Diversität innerhalb der phylogenetischen Gruppen festgestellt, was auf eine hohe Diversität nitrifizierender Mikroorganismen in diesem Bodenökosystem hinweist. Es darf natürlich trotzdem nicht vergessen werden dass alle Daten aus Klonbibliotheken stammen, weshalb keinerlei Aussagen über Häufigkeit, Aktivität oder Beitrag zum Stickstoffkreislauf getroffen werden können. Für die Erforschung Nitrospira-ähnlicher Bakterien, wurde das nxrB Gen, das die beta-Untereinheit der Nitritoxidoreduktase kodiert, hinsichtlich der Eignung als zusätzlicher molekularer Marker evaluiert. Es wurde eine Datenbank klonierter und sequenzierter nxrB Gene von verfügbaren Kulturen, Anreicherungen und aus Umweltproben erstellt. Phylogenetische Analyse der Sequenzen zeigte, dass die 16SrDNA und nxrB basierte Phylogenie Nitrospira-ähnlicher Bakterien zu einem hohen Grad kongruent ist und es keinerlei Hinweise auf lateralen Gen Transfer gibt. Dementsprechend könnte nxrB ein passender funktioneller Marker für die phylogenetische Analyse Nitrospira-ähnlicher Bakterien sein.