Mikrobielle Sukzession in geflutetem Reisfeldboden

In der vorliegenden Arbeit wurde eine bakterielle Sukzession in einem Reisfeldboden in Abhängigkeit zum Sauerstoffgradienten, wie er sich nach Überflutung des Bodens ausbildet, mit einem kombinierten Ansatz von molekularbiologischen Methoden und Kultivierungsexperimenten analysiert. Als Modellsystem wurde unbepflanzter Reisfeldboden in Mikrokosmen bei 30 °C in Dunkelheit inkubiert. Mittels Mikrosensormessungen wurde gezeigt, dass sich bereits sechs Stunden nach dem Fluten ein steiler vertikaler Sauerstoffgradient entwickelt hatte und dieser über die weitere Inkubationsdauer stabil blieb. Die Struktur und Dynamik der bakteriellen Gemeinschaft in der oxischen Zone, der Übergangszone und der anoxischen Zone wurden mit der terminalen Restriktionsfragment-Längen-Polymorphismus (T-RFLP)-Analyse verfolgt. Als molekulare Marker wurden die 16S rRNA und ihr kodierendes Gen (16S rDNA) verwendet. Folgende Inkubationszeitpunkte wurden untersucht: ein und sechs Stunden sowie ein, zwei, sieben, 14, 21, 30, 42, 84 und 168 Tage. Zu den jeweiligen Inkubationszeitpunkten wurden aus Mikrokosmen Proben für die molekulare Analyse entnommen, die zu den oben genannten Sauerstoffzonen korrespondierten. Für jeden der Inkubationszeitpunkte wurde die Zusammensetzung der bakteriellen Lebensgemeinschaft in drei Mikrokosmen unabhängig voneinander analysiert. Eine Korrespondenzanalyse der gesamten Fingerprintmuster auf 16S rRNA- bzw. auf 16S rDNA-Ebene zeigte, dass die Faktoren Inkubationszeit und Sauerstoffkonzentration und die Interaktion der beiden Faktoren einen Effekt auf die bakterielle Gemeinschaft hatten. Die zeitlichen Dynamiken wurden durch die Analyse der RNA besser aufgelöst als durch die Analyse der DNA. Die bessere Auflösung auf RNA-Ebene ist dadurch erklärbar, dass der detektierbare RNA-Gehalt einer Population durch den Faktor Populationsgröße und vor allem durch den Faktor Aktivität bestimmt wird. Die bakterielle Sukzession konnte in drei Phasen unterschiedlicher Dynamiken eingeteilt werden. Phase I (eine Stunde bis zwei Tage nach Überflutung) zeigte die stärksten Umbrüche in der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft. Diese Dynamiken waren ebenfalls in Phase II (zwei Tage bis 21 Tage nach Überflutung) zu beobachten, allerdings im Vergleich zur Phase I in schwächerer Ausprägung. Die Phase III (21 Tage bis 168 Tage nach Überflutung) war durch eine zeitlich und räumlich stabile Gemeinschaft gekennzeichnet. Mittels der vergleichenden Sequenzanalyse von 16S rRNA-Klonsequenzen wurden die mit den abundanten T-RFs korrespondierenden Organismen der Phase I in der oxischen Zone als Betaproteobacteria und in der anoxischen Zone als Clostridien identifiziert. Die Phase III wurde durch Nitrospira, Verrucomicrobia und Acidobacteria (oxische Zone) und Myxococcales (hauptsächlich in der anoxischen Zone) charakterisiert. Sowohl in Phase I als auch in Phase III wurden Vertreter der Betaproteobacteria als abundante Population detektiert. Basierend auf der gemeinsamen Interpretation der T-RFLP-Daten und der Klonsequenzen konnte eine Veränderung über die Inkubationszeit in der phylogenetischen Zusammensetzung innerhalb dieser Gruppe festgestellt werden. Aerobe Bakterien der Phase I und der Phase III wurden mittels Verdünnungsreihentechnik isoliert. Der Vergleich der Phylogenien der Isolate beider Phasen zeigte ebenfalls einen starken Umbruch in der kultivierbaren Fraktion über die Inkubationszeit. Während die kultivierbare Fraktion in der Phase I hauptsächlich durch Vertreter der Betaproteobacteria charakterisiert war, setzte sich die Phase III vor allem aus Mitgliedern des Phylums Alphaproteobacteria zusammen. Ferner wurden ausschließlich in der Phase III Acidobacteria spp. und Verrucomicrobia spp. isoliert. Isolate der Actinomycetales waren in beiden Phasen charakteristisch, wobei die Isolate der Phase I zu anderen Gattungen gehörten als die Isolate der Phase III. Die abnehmende Dynamik der bakteriellen Sukzession hin zu einer Klimaxgemeinschaft konnte mit dem Konzept der r-/K-Selektion erklärt werden. Gleiches galt für die bakteriellen Populationen, die für die frühe bzw. späte Inkubationsphase als charakteristisch identifiziert worden waren. Der von taxonomisch beschriebenen Organismen abgeleitete Phänotyp der detektierten Bakterien der Phase I zeichnet sich durch hohe Wachstumsraten aus, während Bakterien der Phase III durch eine Anpassung an geringe Substratkonzentrationen gekennzeichnet sind

Mikrobielle Sukzession in geflutetem Reisfeldboden

In der vorliegenden Arbeit wurde eine bakterielle Sukzession in einem Reisfeldboden in Abhängigkeit zum Sauerstoffgradienten, wie er sich nach Überflutung des Bodens ausbildet, mit einem kombinierten Ansatz von molekularbiologischen Methoden und Kultivierungsexperimenten analysiert. Als Modellsystem wurde unbepflanzter Reisfeldboden in Mikrokosmen bei 30 °C in Dunkelheit inkubiert. Mittels Mikrosensormessungen wurde gezeigt, dass sich bereits sechs Stunden nach dem Fluten ein steiler vertikaler Sauerstoffgradient entwickelt hatte und dieser über die weitere Inkubationsdauer stabil blieb. Die Struktur und Dynamik der bakteriellen Gemeinschaft in der oxischen Zone, der Übergangszone und der anoxischen Zone wurden mit der terminalen Restriktionsfragment-Längen-Polymorphismus (T-RFLP)-Analyse verfolgt. Als molekulare Marker wurden die 16S rRNA und ihr kodierendes Gen (16S rDNA) verwendet. Folgende Inkubationszeitpunkte wurden untersucht: ein und sechs Stunden sowie ein, zwei, sieben, 14, 21, 30, 42, 84 und 168 Tage. Zu den jeweiligen Inkubationszeitpunkten wurden aus Mikrokosmen Proben für die molekulare Analyse entnommen, die zu den oben genannten Sauerstoffzonen korrespondierten. Für jeden der Inkubationszeitpunkte wurde die Zusammensetzung der bakteriellen Lebensgemeinschaft in drei Mikrokosmen unabhängig voneinander analysiert. Eine Korrespondenzanalyse der gesamten Fingerprintmuster auf 16S rRNA- bzw. auf 16S rDNA-Ebene zeigte, dass die Faktoren Inkubationszeit und Sauerstoffkonzentration und die Interaktion der beiden Faktoren einen Effekt auf die bakterielle Gemeinschaft hatten. Die zeitlichen Dynamiken wurden durch die Analyse der RNA besser aufgelöst als durch die Analyse der DNA. Die bessere Auflösung auf RNA-Ebene ist dadurch erklärbar, dass der detektierbare RNA-Gehalt einer Population durch den Faktor Populationsgröße und vor allem durch den Faktor Aktivität bestimmt wird. Die bakterielle Sukzession konnte in drei Phasen unterschiedlicher Dynamiken eingeteilt werden. Phase I (eine Stunde bis zwei Tage nach Überflutung) zeigte die stärksten Umbrüche in der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft. Diese Dynamiken waren ebenfalls in Phase II (zwei Tage bis 21 Tage nach Überflutung) zu beobachten, allerdings im Vergleich zur Phase I in schwächerer Ausprägung. Die Phase III (21 Tage bis 168 Tage nach Überflutung) war durch eine zeitlich und räumlich stabile Gemeinschaft gekennzeichnet. Mittels der vergleichenden Sequenzanalyse von 16S rRNA-Klonsequenzen wurden die mit den abundanten T-RFs korrespondierenden Organismen der Phase I in der oxischen Zone als Betaproteobacteria und in der anoxischen Zone als Clostridien identifiziert. Die Phase III wurde durch Nitrospira, Verrucomicrobia und Acidobacteria (oxische Zone) und Myxococcales (hauptsächlich in der anoxischen Zone) charakterisiert. Sowohl in Phase I als auch in Phase III wurden Vertreter der Betaproteobacteria als abundante Population detektiert. Basierend auf der gemeinsamen Interpretation der T-RFLP-Daten und der Klonsequenzen konnte eine Veränderung über die Inkubationszeit in der phylogenetischen Zusammensetzung innerhalb dieser Gruppe festgestellt werden. Aerobe Bakterien der Phase I und der Phase III wurden mittels Verdünnungsreihentechnik isoliert. Der Vergleich der Phylogenien der Isolate beider Phasen zeigte ebenfalls einen starken Umbruch in der kultivierbaren Fraktion über die Inkubationszeit. Während die kultivierbare Fraktion in der Phase I hauptsächlich durch Vertreter der Betaproteobacteria charakterisiert war, setzte sich die Phase III vor allem aus Mitgliedern des Phylums Alphaproteobacteria zusammen. Ferner wurden ausschließlich in der Phase III Acidobacteria spp. und Verrucomicrobia spp. isoliert. Isolate der Actinomycetales waren in beiden Phasen charakteristisch, wobei die Isolate der Phase I zu anderen Gattungen gehörten als die Isolate der Phase III. Die abnehmende Dynamik der bakteriellen Sukzession hin zu einer Klimaxgemeinschaft konnte mit dem Konzept der r-/K-Selektion erklärt werden. Gleiches galt für die bakteriellen Populationen, die für die frühe bzw. späte Inkubationsphase als charakteristisch identifiziert worden waren. Der von taxonomisch beschriebenen Organismen abgeleitete Phänotyp der detektierten Bakterien der Phase I zeichnet sich durch hohe Wachstumsraten aus, während Bakterien der Phase III durch eine Anpassung an geringe Substratkonzentrationen gekennzeichnet sind

High Diversity of Diazotrophs in the Forefield of a Receding Alpine Glacier

Forefields of receding glaciers are unique and sensitive environments representing natural chronosequences. In such habitats, microbial nitrogen fixation is of particular interest since the low concentration of bioavailable nitrogen is one of the key limitations for growth of plants and soil microorganisms. Asymbiotic nitrogen fixation in the Damma glacier (Swiss Central Alps) forefield soils was assessed using the acetylene reduction assay. Free-living diazotrophic diversity and population structure were resolved by assembling four NifH sequence libraries for bulk and rhizosphere soils at two soil age classes (8- and 70-year ice-free forefield). A total of 318 NifH sequences were analyzed and grouped into 45 unique phylotypes. Phylogenetic analyses revealed a higher diversity as well as a broader distribution of NifH sequences among phylogenetic clusters than formerly observed in other environments. This illustrates the importance of free-living diazotrophs and their potential contribution to the global nitrogen input in this nutrient-poor environment. NifH diversity in bulk soils was higher than in rhizosphere soils. Moreover, the four libraries displayed low similarity values. This indicated that both soil age and the presence of pioneer plants influence diversification and population structure of free-living diazotroph

Copper in Wood Preservatives Delayed Wood Decomposition and Shifted Soil Fungal but Not Bacterial Community Composition

Copper-based fungicides are routinely used for wood and plant protection, which can lead to an enrichment of copper-tolerant microbial communities in soil. To investigate the effect of such wood preservatives on the soil fungal and bacterial community compositions, five different vineyard and fruit-growing soil environments were evaluated using incubation studies over time. Pine sapwood specimens were impregnated with either water or different biocide treatment solutions containing a mixture of copper, triazoles, and quaternary ammonium compounds (CuTriQAC), a mixture of triazoles and quaternary ammonium compounds (TriQAC), or copper alone (Cu). Specimens were incubated in soil from each sample site for 8, 16, 24, and 32 weeks. The effects of preservative treatment on the modulus of elasticity (MOE) of the wood specimens and on the soil fungal as well as bacterial community composition at the soil-wood interface were assessed by quantitative PCR and amplicon sequencing of the fungal internal transcribed spacer (ITS) region and bacterial 16S rRNA gene. Specimens impregnated with CuTriQAC and Cu showed decreased MOE and reduced fungal and bacterial copy numbers over time compared to those impregnated with water and TriQAC. Fungal but not bacterial community composition was significantly affected by wood preservative treatment. The relative abundance of members of the family Trichocomaceae compared to other genera increased in the presence of the Cu and CuTriQAC treatments at three sites, suggesting these to be Cu-tolerant fungi. In conclusion, the copper-containing treatments resulted in marginally increased MOE, lowered microbial gene copy numbers compared to those in the TriQAC and water treatments, and thus enhanced wood protection against soil microbial wood degradation

Fungal and Bacterial Diversity Patterns of Two Diversity Levels Retrieved From a Late Decaying Fagus sylvatica Under Two Temperature Regimes

Environmental fluctuations are a common occurrence in an ecosystem, which have an impact on organismic diversity and associated ecosystem services. The aim of this study was to investigate how a natural and a species richness-reduced wood decaying community diversity were capable of decomposing Fagus sylvatica dead wood under a constant and a fluctuating temperature regime. Therefore, microcosms with both diversity levels (natural and species richness-reduced) were prepared and incubated for 8 weeks under both temperature regimes. Relative wood mass loss, wood pH, carbon dioxide, and methane emissions, as well as fungal and bacterial community compositions in terms of Simpson‘s diversity, richness and evenness were investigated. Community interaction patterns and co-occurrence networks were calculated. Community composition was affected by temperature regime and natural diversity caused significantly higher mass loss than richness-reduced diversity. In contrast, richness-reduced diversity increased wood pH. The bacterial community composition was less affected by richness reduction and temperature regimes than the fungal community composition. Microbial interaction patterns showed more mutual exclusions in richness-reduced compared to natural diversity as the reduction mainly reduced abundant fungal species and disintegrated previous interaction patterns. Microbial communities reassembled in richness-reduced diversity with a focus on nitrate reducing and dinitrogen-fixing bacteria as connectors in the network, indicating their high relevance to reestablish ecosystem functions. Therefore, a stochastic richness reduction was followed by functional trait based reassembly to recover previous ecosystem productivity. © Copyright © 2021 Muszynski, Maurer, Henjes, Horn and Noll

Shifts in desulfonating bacterial communities along a soil chronosequence in the forefield of a receding glacier

peer-reviewedForefields of receding glaciers are unique and sensitive environments representing natural soil chronosequences where sulfate availability is assumed to be a limiting factor. Bacterial mineralization of organo-sulfur is an important sulfate-providing process in soils. We analyzed the diversity of sulfonate desulfurizing (desulfonating) bacteria in the Damma glacier forefield on the basis of the key gene asfA by terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) and clone libraries. The community structure and sequence diversity of desulfonating bacteria differed significantly between forefield soils deglaciated in the 1990s and the 1950s. Soil age had a strong effect on the desulfonating rhizosphere communities of Agrostis rupestris, but only little impact on the ones from Leucanthemopsis alpina. AsfA affiliated to Polaromonas sp. was predominantly found in the more recent ice-free soils and the corresponding rhizospheres of A. rupestris while a group of unidentified sequences was found to be dominating the matured soils and the corresponding rhizospheres of A. rupestris. The desulfonating bacterial diversity was not affected by varying levels of sulfate concentrations. The level of asfA diversity in recently deglaciated soils suggests that desulfonating bacteria are a critical factor in sulfur cycling with defined groups dominating at different stages of soil formation.SUBMITTE

Unrecognized diversity and distribution of soil algae from Maritime Antarctica (Fildes Peninsula, King George Island)

Introduction: Eukaryotic algae in the top few centimeters of fellfield soils of ice-free Maritime Antarctica have many important effects on their habitat, such as being significant drivers of organic matter input into the soils and reducing the impact of wind erosion by soil aggregate formation. To better understand the diversity and distribution of Antarctic terrestrial algae, we performed a pilot study on the surface soils of Meseta, an ice-free plateau mountain crest of Fildes Peninsula, King George Island, being hardly influenced by the marine realm and anthropogenic disturbances. It is openly exposed to microbial colonization from outside Antarctica and connected to the much harsher and dryer ice-free zones of the continental Antarctic. A temperate reference site under mild land use, SchF, was included to further test for the Meseta algae distribution in a contrasting environment. Methods: We employed a paired-end metabarcoding analysis based on amplicons of the highly variable nuclear-encoded ITS2 rDNA region, complemented by a clone library approach. It targeted the four algal classes, Chlorophyceae, Trebouxiophyceae, Ulvophyceae, and Xanthophyceae, representing key groups of cold-adapted soil algae. Results: A surprisingly high diversity of 830 algal OTUs was revealed, assigned to 58 genera in the four targeted algal classes. Members of the green algal class Trebouxiophyceae predominated in the soil algae communities. The major part of the algal biodiversity, 86.1% of all algal OTUs, could not be identified at the species level due to insufficient representation in reference sequence databases. The classes Ulvophyceae and Xanthophyceae exhibited the most unknown species diversity. About 9% of the Meseta algae species diversity was shared with that of the temperate reference site in Germany. Discussion: In the small portion of algal OTUs for which their distribution could be assessed, the entire ITS2 sequence identity with references shows that the soil algae likely have a wide distribution beyond the Polar regions. They probably originated from soil algae propagule banks in far southern regions, transported by aeolian transport over long distances. The dynamics and severity of environmental conditions at the soil surface, determined by high wind currents, and the soil algae’s high adaptability to harsh environmental conditions may account for the high similarity of soil algal communities between the northern and southern parts of the Meseta

Genetic but No Phenotypic Associations between Biocide Tolerance and Antibiotic Resistance in Escherichia coli from German Broiler Fattening Farms

Biocides are frequently applied as disinfectants in animal husbandry to prevent the transmission of drug-resistant bacteria and to control zoonotic diseases. Concerns have been raised, that their use may contribute to the selection and persistence of antimicrobial-resistant bacteria. Especially, extended-spectrum β-lactamase- and AmpC β-lactamase-producing Escherichia coli have become a global health threat. In our study, 29 ESBL-/AmpC-producing and 64 NON-ESBL-/AmpC-producing E.coli isolates from three German broiler fattening farms collected in 2016 following regular cleaning and disinfection were phylogenetically characterized by whole genome sequencing, analyzed for phylogenetic distribution of virulence-associated genes, and screened for determinants of and associations between biocide tolerance and antibiotic resistance. Of the 30 known and two unknown sequence types detected, ST117 and ST297 were the most common genotypes. These STs are recognized worldwide as pandemic lineages causing disease in humans and poultry. Virulence determinants associated with extraintestinal pathogenic E.coli showed variable phylogenetic distribution patterns. Isolates with reduced biocide susceptibility were rarely found on the tested farms. Nine isolates displayed elevated MICs and/or MBCs of formaldehyde, chlorocresol, peroxyacetic acid, or benzalkonium chloride. Antibiotic resistance to ampicillin, trimethoprim, and sulfamethoxazole was most prevalent. The majority of ESBL-/AmpC-producing isolates carried blaCTX-M (55%) or blaCMY-2 (24%) genes. Phenotypic biocide tolerance and antibiotic resistance were not interlinked. However, biocide and metal resistance determinants were found on mobile genetic elements together with antibiotic resistance genes raising concerns that biocides used in the food industry may lead to selection pressure for strains carrying acquired resistance determinants to different antimicrobials