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Untersuchung und biotechnologische Nutzung thermophiler chemolithotropher Mikroorganismen

Petrasch, Dennis :
Untersuchung und biotechnologische Nutzung thermophiler chemolithotropher Mikroorganismen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchung und biotechnologische Nutzung thermophiler chemolithotropher Mikroorganismen
Language: German
Abstract:

Im Rahmen dieser Arbeit sollten thermophile, chemolithotrophe Mikroorganismen isoliert, untersucht und biotechnologisch genutzt werden um anthropogenes Kohlenstoffdioxid zu fixieren. Wasserstoff oder elementarer Schwefel stehen als Energieträger zur Verfügung und das Temperaturoptimum sollte zwischen 60 und 80 °C liegen.

Aus geothermal aktiven Gebieten auf den Azoren wurden Sedimentproben von heißen Quellen genommen. Eine schwefelabhängige Acidianus brierleyi Reinkultur und sieben schwefelabhängig wachsende Mischkulturen sowie ein Knallgasbakterium aus der Gattung Hydrogenobacter konnten isoliert werden.

Die Charakterisierung des Hydrogenobacter Stamms ergab, dass es sich um ein obligat autotrophes thermophiles Mitglied der Aquificaceae handelt. Der Wachstumsbereich liegt zwischen 55 und 78 °C mit einem Temperaturoptimum von 70 °C (μ = 0,17 h-1). Neben Wasserstoff kann auch Thiosulfat als Elektronendonator verwendet werden. Als Elektronenakzeptor dient neben Sauerstoff Nitrat. Die Zellmembran ist hauptsächlich aus Gadolein- und Stearinsäure aufgebaut. Zusätzlich liegt auf der Zellwand dieses Gram-negativen drei bis acht μm langen Stäbchens ein Surface-Layer mit p4-Symmetrie auf.

Um die CO2-Fixierung zu quantifizieren wurde der Total Organic Carbon zweier schwefelabhängiger Mischkulturen, des schwefelabhängigen Acidianus brierleyi Isolats, der Hydrogenobacter Spezies und weitere Reinkulturen von Aquificales und Sulfolobales gemessen. Die besten Fixierungsraten mit bis zu 2,1 g Kohlenstoff/l nach 14 Tagen (150 mg C/l in 24 h) und Inkubation bei 60 °C (μ = 0,06 h-1) zeigte der von den Azoren stammende und isolierte Hydrogenobacter Fur_C17.

Eine Acidianus ambivalens – Sulfurisphaera MC1 Mischkultur (μ = 0,007 h-1) ist auch zur Fixierung von Kohlenstoffdioxid befähigt und wurde charakterisiert. Diese Crenarchaeoten wachsen allein mittels anaerober Schwefeldisproportionierung und CO2, das als Kohlenstoffquelle genutzt wird. Bei einem Temperaturoptimum von 80 °C und einem optimalen pH-Wert von 2,5 wird mittels dieses unbekannten Stoffwechselweges Energie gewonnen und innerhalb von 27 Tagen bis zu 150 mg Kohlenstoff/l fixiert.

In dieser Mischkultur wurden Acidianus ambivalens spezifische Enzymaktivitäten der Schwefeloxygenase/-reduktase (SOR), ein Enzym des aeroben Schwefelstoffwechsels sowie einer Schwefelreduktase, ein Enzym des anaeroben Stoffwechsels, gemessen. Unterstützt wurden diese Ergebnisse durch Messung der mRNA-Menge der sor- und sreA-Gene innerhalb der exponentiellen Wachstumsphase mittels quantitativer real time PCR. Als Referenzkulturenfür Enzymassays und q-RT-PCR dienten eine aerobe Schwefel-oxidierende und eine anaerobe Schwefel-reduzierende Acidianus ambivalens Reinkultur sowie eine aerobe heterotrophe Sulfurisphaera MC1 Reinkultur. Die Transkripte des sor- und sreA-Gens wurden in der Mischkultur in großen Mengen nachgewiesen. Eine untergeordnete Rolle spielen die Transkripte der aeroben Atmungskette, wie z.B. doxB und soxL, die in der Mischkultur nur in geringen Konzentrationen vorhanden sind.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In the first part of this work, thermophilic and chemolithoautotrophic microorganisms were isolated and characterized to find new biotechnological pathways for the fixation of anthropogenic carbon dioxide. Hydrogen and elemental sulfur were used as energy and electron sources and a temperature optimum of 60 to 80 °C was used. Sediment samples were taken from hot springs of geothermally active areas of the Azores islands. Pure cultures were isolated of the sulfur-depended Acidianus brierleyi and of a hydrogen-depended Hydrogenobacter species (strain Fur_C17). Additionally, seven sulfur-depended cocultures were enriched. The identification and characterization of the Hydrogenobacter strain revealed that it represents an obligate autotrophic and thermophilic member of the order Aquificaceae. The temperature range of growth was 55–78 °C with an optimum of 70 °C (μ = 0,17 h-1). The main electron donors were hydrogen and thiosulfate. Beside oxygen, nitrate was used as electron acceptor. The major fatty acids of the cell membrane were cis-gondoic acid and stearic acid. Electron microscopy showed that a surface layer with a p4-symmetry was lying on top of the cell wall. Cells of strain Fur_C17 were Gram-negative rods 3 to 8 μm in length. The Total Organic Carbon Method was applied to measure CO2 fixation rates of two sulfur depended cocultures, the Acidianus brierleyi isolate, Hydrogenobacter strain Fur_C17 and other Aquificales as well as Sulfolobales species. The highest carbon fixation rate was observerd with the newly isolated Hydrogenobacter Fur_C17 with 2,1 g carbon/l after 14 days (150 mg C/l in 24 h). An Acidianus ambivalens – Sulfurisphaera MC1 coculture (μ = 0,007 h-1) grows by sulfur disproportionation and CO2 fixation when CO2 was the only gas and carbon supply. The temperature and pH optima were 80 °C and pH 2,5, respectively. The CO2 fixation rate of the coculture was 150 mg C/l within 27 days using an unknown mechanism of energy conservation. In the second part of this work, enzymes of energy conservation and transcription rates of the respective genes were studied in Acidianus ambivalens and in the coculture. The coculture showed enzyme activites of the aerobic sulfur oxygenase/-reductase (SOR) and of an anaerobic sulfur reductase. This results were supported by measurement of mRNA-amount of the sor- and sreA-genes within exponential growth phase via quantitative real time PCR. The transcripts of sor- and sreA-gene were detected in high amounts in in the coculture. As reference cultures for enzyme assays and q-RT-PCR measurements, pure cultures of an aerobic sulfur-oxidizing and an anaerobic sulfur-reducing Acidianus ambivalens and of a heterotrophically growing Sulphurisphaera MC1 were used. The transcripts of genes encoding aerobic respiratory chain components like doxB and soxL were present only in small amounts.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Acidianus ambivalens, Sulfurisphaera, thermophil, chemolithoautotroph,
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Microbiology and Archaea
10 Department of Biology > Microbial Energy Conversion and Biotechnology
10 Department of Biology > Sulfur Biochemistry and Microbial Bioenergetics
Date Deposited: 13 Aug 2015 10:03
Last Modified: 16 Sep 2015 07:49
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46896
Referees: Kletzin, PD Dr. Arnulf and Pfeifer, Prof. Dr. Felicitas
Refereed: 26 September 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4689
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