Microbial formation of nitrous acid and its exchange processes between soils and atmosphere

Salpetrige Säure (HONO) ist eine wichtige Form von reaktivem Stickstoff, die aufgrund ihrer Photolyse zu Stickstoffmonoxid (NO) und dem Hydroxylradikal (OH), sehr kurzlebig ist. Ein genaues Verständnis der Quellen und Senken von HONO ist eine grundlegende Voraussetzung, um dessen Einfluss auf die Umwelt zu beurteilen. Allerdings wird immer noch nach einer starken HONO-Quelle am Tag gesucht und nächtliche HONO-Deposition auf den Boden wurde bisher stets nur postuliert. Diese Dissertation folgt der Zielsetzung die Prozesse der HONO-Aufnahme und Freisetzung von Böden aufzudecken und die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen.rnUm die Rolle von HONO-Bodenemissionen zu quantifizieren, wurden 17 Böden in einem dynamischen Kammersystem untersucht. Es konnten HONO-Emissionen derselben Größenordnung wie die bereits gut untersuchten NO-Emissionen festgestellt werden. Unerwarteter Weise wurden die stärksten Emissionen bei Böden mit neutralem pH aus ariden und landwirt¬schaftlichen Gebieten beobachtet. Die Temperaturabhängigkeit der Bodenemissionen von HONO und NO führten zu der Annahme einer mikrobiellen Freisetzung von HONO, welche durch Reinkulturexperimente mit dem ammoniumoxidierenden Bakterium Nitrosomonas europaea bestätigt werden konnte. Ein konzeptionelles Model für die Freisetzung reaktiver Stickstoffverbindungen aus Böden in Abhängigkeit des Bodenwassergehaltes wurde um HONO-Emissionen erweitert.rnDurch Nachweise mittels Reinkultur- und Inhibitionsexperimenten konnten weitere Untersuchungen der bakteriellen Freisetzung von HONO aus Böden zeigen, dass innerhalb der bakteriellen Nitrifikation nur ammoniumoxidierende Bakterien zur Emission von HONO fähig sind. Durch kontrolliert initiierte Zelllyse konnte gezeigt werden, dass intrazellulär akkumuliertes Hydroxylamin (NH2OH) für die HONO-Freisetzung verantwortlich sind. Zum ersten Mal wurde NH2OH in der Gasphase nachgewiesen und dass dieses über den gesamten Bodenfeuchtebereich von ammoniumoxidierenden Bakterien freigesetzt wird. Es wurde gezeigt, dass die heterogene Reaktion von NH2OH mit Wasserdampf auf einer Glasperlenoberfläche HONO bildet. Diese Reaktion erklärt die beobachtete Freisetzung von HONO bei niedrigen Bodenfeuchten, da nur dann die Oberfläche zur Reaktion zur Verfügung steht und nicht von Wasser bedeckt ist.rnEine 15N Isotopenmarkierungsmethode wurde entwickelt um isotopenmarkiertes gasförmiges HONO zu messen, was die Untersuchung der Bildungsprozesse von HONO und dessen Rolle in biogeochemischen Zyklen ermöglicht. Die Anwendung dieser neuen Methode auf eine Bodenprobe die mit 15N Harnstoff angereichert und in einem dynamischen Kammersystem untersucht wurde, bestätigt die obigen Ergebnisse einer starken mikrobiellen Beteiligung von Bodenbakterien zur HONO Freisetzung.rnBidirektionale Flüsse von HONO wurden für sechs untersuchte Bodenproben gefunden. Die Richtung der Flüsse hängt dabei vom Umgebungsmischungsverhältnis von HONO und dem Bodenwassergehalt ab. Eine wichtige Größe, die die bidirektionalen Flüsse von HONO beschreibt, ist das „Ökosystem spezifische Kompensationsmischungsverhältnis von HONO“, χcomp. Dieser neue Begriff wurde definiert und eingeführt, da die verschiedenen in den Bodenaustausch von HONO involvierten Prozesse nicht mit dem klassischen Kompensationspunktkonzept kompatibel sind. Die Untersuchungen bestätigen neueste Feldbeobachtungen, dass HONO, welches bei hohen Umgebungsmischungsverhältnissen vom Boden adsorbiert wird, bei niedrigen Mischungsverhält-nissen wieder vom Boden desorbiert wird. Folglich wird nächtlich akkumuliertes HONO tagsüber in eine Quelle für HONO umgewandelt. Vier Prozesse - Verteilung von HONO zwischen Gas- und Flüssigphase nach Henrys Gesetz, bakterielle HONO Bildung aus NH2OH, Adsorption und Desorption von HONO - und deren Dominanz in speziellen Bodenfeuchtebereichen wurden identifiziert. Dadurch wurde ein konzeptionelles Model für die Prozesse, die in Aufnahme und Freisetzung von HONO aus Böden involviert sind, als Funktion der Bodenfeuchte entwickelt.rnZusammenfassend hat diese Dissertation die entscheidenden Prozesse im Austausch von HONO zwischen Boden und Atmosphäre aufgeklärt und den der bakteriellen HONO Bildung zugrunde liegenden Mechanismus aufgedeckt. Es konnte gezeigt werden, dass Böden sowohl eine wichtige Quelle als auch eine Senke für HONO sind und sollten folglich in zukünftigen Feldmessungen stärker berücksichtigt werden.rn

Entwicklung eines biologischen Verfahrens zur Reduktion des Methanschlupfes von Gasaufbereitungsanlagen mittels Einsatz methanotropher Mikroorganismen

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein biologisches Verfahren zur Reduzierung des Methanschlupfes in Gasaufbereitungsanlagen entwickelt. Der Methanschlupf entsteht, wenn das in Biogasanlagen produzierte Biogas auf normierte Erdgasqualität aufgereinigt wird, welches notwendig ist, um es in das bestehende Erdgasnetz einleiten zu können. Bei dieser Aufreinigung wird aus dem Biogas auch ein Teil des Methans mit ausgewaschen und gelangt mit dem Abgas der Gasaufbereitungsanlage in die Umwelt. Bisher wird dieses methanhaltige Abgas verbrannt, da eine Freisetzung des starken Treibhausgases Methan durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz untersagt ist. Dies reduziert die ökologische Bilanz und setzt die Wirtschaftlichkeit der gesamten Biogasanlage herab. rnUm das Methan mit Hilfe eines biologischen Verfahrens zu entfernen, wurden zunächst methanoxidierende Bakterien (MOB) aus verschiedenen Habitaten isoliert, darunter auch erstmalig aus Termiten. Der Nachweis erfolgte durch (quantitative) Polymerase-Kettenreaktion und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung anhand spezifischer Primer bzw. Sonden für das Gen der partikulären Methanmonoxygenase, ein MOB kennzeichnendes Enzym. Ihr Titer wurde durch qPCR auf 10^2 - 10^3 MOB pro Termitendarm durch qPCR bestimmt. Mit Hilfe einer 16S rDNA Sequenzierung, der (n)SAPD-PCR, der Bestimmung der zellulären Fettsäurezusammensetzung sowie MALDI-TOF-MS-Analysen konnten die Termitenisolate der Gattung Methylocystis zugeordnet werden. Die fehlende Artzuweisung spricht jedoch für die Isolierung einer neuen Art. rnFür den Einsatz der Isolate in Gasaufbereitungsanlagen wurde in Zusammenarbeit mit dem Prüf- und Forschungsinstitut in Pirmasens ein Reaktor im Technikumsmaßstab entwickelt und konstruiert. Der Reaktor wurde mit synthetischen Aufwuchskörper befüllt, diese mit einem neu gewonnenen potenten Termitenisolat besiedelt und der methanhaltige Abgasstrom der Gasaufbereitungsanlage darüber geleitet. Es wurde eine Reduktion des Methans um 68 % innerhalb von 30 Stunden erzielt. Medienoptimierungen wiesen das Potential auf, diesen Verbrauch um das bis zu 4-fache weiter zu steigern. Da durch die Oxidation des Methans im Abgasstrom der Gasaufbereitungsanlage Zellmasse und Polyhydroxybuttersäure (PHB) aufgebaut wurde, können diese als Substrat zurück in die Biogasanlagen geleitet werden und die Wirtschaftlichkeit weiter verbessern. Die Wirksamkeit des in diesem Projekt entwickelten Verfahrens wurde somit eindeutig demonstriert.

Mikrobielle Prozesskontrolle in Biogasanlagen durch Monitoring der Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse im Gasbereich

Der zunehmende Anteil von Strom aus erneuerbaren Energiequellen erfordert ein dynamisches Konzept, um Spitzenlastzeiten und Versorgungslücken aus der Wind- und Solarenergie ausgleichen zu können. Biogasanlagen können aufgrund ihrer hohen energetischen Verfügbarkeit und der Speicherbarkeit von Biogas eine flexible Energiebereitstellung ermöglichen und darüber hinaus über ein „Power-to-Gas“-Verfahren bei einem kurzzeitigen Überschuss von Strom eine Überlastung des Stromnetzes verhindern. Ein nachfrageorientierter Betrieb von Biogasanlagen stellt jedoch hohe Anforderungen an die Mikrobiologie im Reaktor, die sich an die häufig wechselnden Prozessbedingungen wie der Raumbelastung im Reaktor anpassen muss. Eine Überwachung des Fermentationsprozesses in Echtzeit ist daher unabdingbar, um Störungen in den mikrobiellen Gärungswegen frühzeitig erkennen und adäquat entgegenwirken zu können. rnBisherige mikrobielle Populationsanalysen beschränken sich auf aufwendige, molekularbiologische Untersuchungen des Gärsubstrates, deren Ergebnisse dem Betreiber daher nur zeitversetzt zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig ein Laser-Absorptionsspektrometer zur kontinuierlichen Messung der Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse des Methans an einer Forschungsbiogasanlage erprobt. Dabei konnten, in Abhängigkeit der Raumbelastung und Prozessbedingungen variierende Isotopenverhältnisse gemessen werden. Anhand von Isolaten aus dem untersuchten Reaktor konnte zunächst gezeigt werden, dass für jeden Methanogenesepfad (hydrogeno-troph, aceto¬klastisch sowie methylotroph) eine charakteristische, natürliche Isotopensignatur im Biogas nachgewiesen werden kann, sodass eine Identifizierung der aktuell dominierenden methanogenen Reaktionen anhand der Isotopen-verhältnisse im Biogas möglich ist. rnDurch den Einsatz von 13C- und 2H-isotopen¬markierten Substraten in Rein- und Mischkulturen und Batchreaktoren, sowie HPLC- und GC-Unter¬suchungen der Stoffwechselprodukte konnten einige bislang unbekannte C-Flüsse in Bioreaktoren festgestellt werden, die sich wiederum auf die gemessenen Isotopenverhältnisse im Biogas auswirken können. So konnte die Entstehung von Methanol sowie dessen mikrobieller Abbauprodukte bis zur finalen CH4-Bildung anhand von fünf Isolaten erstmalig in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage rekonstruiert und das Vorkommen methylotropher Methanogenesewege nachgewiesen werden. Mithilfe molekularbiologischer Methoden wurden darüber hinaus methanoxidierende Bakterien zahlreicher, unbekannter Arten im Reaktor detektiert, deren Vorkommen aufgrund des geringen O2-Gehaltes in Biogasanlagen bislang nicht erwartet wurde. rnDurch die Konstruktion eines synthetischen DNA-Stranges mit den Bindesequenzen für elf spezifische Primerpaare konnte eine neue Methode etabliert werden, anhand derer eine Vielzahl mikrobieller Zielorganismen durch die Verwendung eines einheitlichen Kopienstandards in einer real-time PCR quantifiziert werden können. Eine über 70 Tage durchgeführte, wöchentliche qPCR-Analyse von Fermenterproben zeigte, dass die Isotopenverhältnisse im Biogas signifikant von der Zusammensetzung der Reaktormikrobiota beeinflusst sind. Neben den aktuell dominierenden Methanogenesewegen war es auch möglich, einige bakterielle Reaktionen wie eine syntrophe Acetatoxidation, Acetogenese oder Sulfatreduktion anhand der δ13C (CH4)-Werte zu identifizieren, sodass das hohe Potential einer kontinuierlichen Isotopenmessung zur Prozessanalytik in Biogasanlagen aufgezeigt werden konnte.rn

Propionsäureabbau in NawaRo-Biogasanlagen

Die Energiewende ist begleitet von dem Ausbau erneuerbarer Energien. Dabei spielt die Energiegewinnung aus Biomasse eine wichtige Rolle. Der optimale Betrieb einer Biogasanlage erfordert eine stabile Methanproduktion, welche jedoch durch die Akkumulation von Propionsäure nachhaltig gestört werden kann. Aus diesem Grund ist der mikrobielle Abbau dieser Substanz von besonderem Interesse. Die Thermodynamik des anaeroben bakteriellen Abbaus von Propionsäure erfordert die syntrophe Verwertung des entstehenden Wasserstoffs durch Wasserstoff-verbrauchende Mikroorganismen, beispielsweise methanogene Archaea.rnMit dem Ziel, die Erkenntnislage der Propionat-Verwertung in NawaRo-Biogasanlagen zu erweitern, sollten Propionat-verwertende Anreicherungskulturen aus NawaRo-Biogasanlagen etabliert, charakterisiert und molekularbiologisch analysiert werden.rnAus landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurden reproduzierbar Propionat-verwertende Anreicherungskulturen mittels anaerober Kultivierungstechniken etabliert. Die anaerob Propionat-verwertende Aktivität der Kulturen blieb über Jahre erhalten und konnte unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert werden. Die Analyse der sukzessiven Diversität von vier Anreicherungskulturen ermöglichte einen Einblick in die sich während der Propionat-Verwertung sukzessiv verändernde mikrobielle Diversität. Dabei wurden die aus der 16S rDNA-Analyse resultierenden Sequenzcluster MP-1 (Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp.), MP-6 und MP-15 (beide ''Candidatus Cloacamonas sp. ''), sowie MP-9 (Syntrophobacter sulfatireducens) als potentiell Propionat-verwertende Schlüsselspezies identifiziert. Mit S. sulfatireducens wurde eine bekannte syntroph Propionat-verwertende Spezies gefunden. Die Sequenzen von MP-1 waren nahe verwandt mit Pelotomaculum schinkii, ebenfalls eine beschriebene syntroph Propionat-verwertende Spezies. Bei dem nächsten Verwandten der Cluster MP-6 und MP-15 handelte es sich um ''Candidatus Cloacamonas acidaminovorans'', eine bisher unkultivierbare Spezies, dessen Genom für den gesamten Abbauweg der syntrophen Propionat-Oxidation codiert. Syntrophobacter sulfatireducens kam zusammen mit Vertretern der methanogenen Gattungen Methanoculleus, Methanosaeta und Methanomethylovorans vor. Als methanogener Partner von Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp. dominierte die Gattung Methanosarcina. Aufgrund der starken Präsenz der syntroph Acetat oxidierenden Spezies Tepidanaerobacter acetatoxydans (Sequenz-Cluster MP-3), sowie potentiell homoacetogener Arten, wurde zudem ein theoretischer Zusammenhang der Propionat-Verwertung mit der syntrophen Acetat-Oxidation und der autotrophen Homoacetogenese vorgeschlagen.rn

Isolation and characterization of a manganese oxidizing bacterium from the Mediterranean marine sponge Suberites domuncula

In the present study of sponge-bacterial association, the presence of a marine bacterium which has not seen to be associated previously with the Mediterranean sponge Suberites domuncula was investigated. The marine sponge S. domuncula was chosen as the subject of investigation, for the identification of potential symbiotic microorganisms, since it can be kept under controlled laboratory conditions for over five years. By the use of specialized media assisting in the growth of a metal oxidizing bacterium, the manganese oxidizing bacterium was isolated from the surface of the marine sponge. The bacterium so isolated was characterized for its growth characteristics by microbiological and biochemical techniques, a detailed analysis of which showed that the bacterium followed a life cycle where the culture showed the presence of spore forming bacteria. This was correlated to the manganese oxidation activity of the bacteria and it was found that both stages are interdependent.The action of the protein responsible for carrying out the manganese (Mn) oxidation was studied by an in-gel oxidation assay, and the presence of a multi copper oxidase was confirmed by the use of copper chelators in the buffer. In parallel the effect of addition of copper was observed on the manganese oxidation by the bacteria thus supporting the observations. The manganese oxidation reaction by the bacteria was determined in the culture medium and on the surface of the cells, and it could be concluded that the oxidation was facilitated by the presence of the polysaccharides and proteins on the surface of the cells.Thus the presence of a bacterium capable of oxidizing the manganese from the surroundings was confirmed to be symbiotically associated with the marine sponge S. domuncula by monitoring its growth in axenic cultures. The reasons behind this association were studied.This bacterium displays a crucial role in the physiology/metabolism of the sponge by acting as a reversible Mn store in S. domuncula. According to this view, the presence of SubDo-03 bacteria is required as a protection against higher, toxic concentrations of Mn in the environment; manganese (II) after undergoing oxidation to manganese (IV), becomes an insoluble ion. Since only minute levels of manganese exist in the surrounding seawater a substantial accumulation of manganese has to arise, or a release by the bacterial-precipitated manganese (IV) is implicated to maintain the reversible balance. The other possible benefits provided by the bacterial association to the sponge could be in preventing cellular oxygen toxicity, help in nutrient scavenging and detoxification.

Structured antibody surfaces for bio-recognition and a label-free detection of bacteria

Antibody microarrays are of great research interest because of their potential application as biosensors for high-throughput protein and pathogen screening technologies. In this active area, there is still a need for novel structures and assemblies providing insight in binding interactions such as spherical and annulus-shaped protein structures, e.g. for the utilization of curved surfaces for the enhanced protein-protein interactions and detection of antigens. Therefore, the goal of the presented work was to establish a new technique for the label-free detection of bio-molecules and bacteria on topographically structured surfaces, suitable for antibody binding.rnIn the first part of the presented thesis, the fabrication of monolayers of inverse opals with 10 μm diameter and the immobilization of antibodies on their interior surface is described. For this purpose, several established methods for the linking of antibodies to glass, including Schiff bases, EDC/S-NHS chemistry and the biotin-streptavidin affinity system, were tested. The employed methods included immunofluorescence and image analysis by phase contrast microscopy. It could be shown that these methods were not successful in terms of antibody immobilization and adjacent bacteria binding. Hence, a method based on the application of an active-ester-silane was introduced. It showed promising results but also the need for further analysis. Especially the search for alternative antibodies addressing other antigens on the exterior of bacteria will be sought-after in the future.rnAs a consequence of the ability to control antibody-functionalized surfaces, a new technique employing colloidal templating to yield large scale (~cm2) 2D arrays of antibodies against E. coli K12, eGFP and human integrin αvβ3 on a versatile useful glass surface is presented. The antibodies were swept to reside around the templating microspheres during solution drying, and physisorbed on the glass. After removing the microspheres, the formation of annuli-shaped antibody structures was observed. The preserved antibody structure and functionality is shown by binding the specific antigens and secondary antibodies. The improved detection of specific bacteria from a crude solution compared to conventional “flat” antibody surfaces and the setting up of an integrin-binding platform for targeted recognition and surface interactions of eukaryotic cells is demonstrated. The structures were investigated by atomic force, confocal and fluorescence microscopy. Operational parameters like drying time, temperature, humidity and surfactants were optimized to obtain a stable antibody structure.

Cellular localization and mechanism of amyloid precursor protein (APP) homodimer formation in an oxidizing environment

The amyloid precursor protein (APP) is a type I transmembrane glycoprotein, which resembles a cell surface receptor, comprising a large ectodomain, a single spanning transmembrane part and a short C-terminal, cytoplasmic domain. It belongs to a conserved gene family, with over 17 members, including also the two mammalian APP homologues proteins APLP1 and APLP2 („amyloid precursor like proteins“). APP is encoded by 19 exons, of which exons 7, 8, and 15 can be alternatively spliced to produce three major protein isoforms APP770, APP751 and APP695, reflecting the number of amino acids. The neuronal APP695 is the only isoform that lacks a Kunitz Protease Inhibitor (KPI) domain in its extracellular portion whereas the two larger, peripheral APP isoforms, contain the 57-amino-acid KPI insert. rnRecently, research effort has suggested that APP metabolism and function is thought to be influenced by homodimerization and that the oligomerization state of APP could also play a role in the pathology of Alzheimer's disease (AD), by regulating its processing and amyloid beta production. Several independent studies have shown that APP can form homodimers within the cell, driven by motifs present in the extracellular domain, as well as in the juxtamembrane (JM) and transmembrane (TM) regions of the molecule, whereby the exact molecular mechanism and the origin of dimer formation remains elusive. Therefore, we focused in our study on the actual subcellular origin of APP homodimerization within the cell, an underlying mechanism, and a possible impact on dimerization properties of its homologue APLP1. Furthermore, we analyzed homodimerization of various APP isoforms, in particular APP695, APP751 and APP770, which differ in the presence of a Kunitz-type protease inhibitor domain (KPI) in the extracellular region. In order to assess the cellular origin of dimerization under different cellular conditions, we established a mammalian cell culture model-system in CHO-K1 (chinese hamster ovary) cells, stably overexpressing human APP, harboring dilysine based organelle sorting motifs at the very C-terminus [KKAA-Endoplasmic Reticulum (ER); KKFF-Golgi]. In this study we show that APP exists as disulfide-bound, SDS-stable dimers, when it was retained in the ER, unlike when it progressed further to the cis-Golgi, due to the KKFF ER exit determinant. These stable APP complexes were isolated from cells, and analyzed by SDS–polyacrylamide gel electrophoresis under non-reducing conditions, whereas strong denaturing and reducing conditions completely converted those dimers to monomers. Our findings suggested that APP homodimer formation starts early in the secretory pathway and that the unique oxidizing environment of the ER likely promotes intermolecular disulfide bond formation between APP molecules. We particularly visualized APP dimerization employing a variety of biochemical experiments and investigated the origin of its generation by using a Bimolecular Fluorescence Complementation (BiFC) approach with split GFP-APP chimeras. Moreover, using N-terminal deletion constructs, we demonstrate that intermolecular disulfide linkage between cysteine residues, exclusively located in the extracellular E1 domain, represents another mechanism of how an APP sub-fraction can dimerize within the cell. Additionally, mutational studies revealed that cysteines at positions 98 and 105, embedded in the conserved loop region within the E1 domain, are critical for interchain disulfide bond formation. Using a pharmacological treatment approach, we show that once generated in the oxidative environment of the ER, APP dimers remain stably associated during transport, reaching the plasma membrane. In addition, we demonstrate that APP isoforms, encompassing the KPI domain, exhibit a strongly reduced ability to form cis-directed dimers in the ER, whereas trans-directed cell aggregation of Drosophila Schneider (S2)-cells was isoform independent, mediating cell-cell contacts. Thus, suggesting that steric properties of KPI-APP might be the cause for weaker cis-interaction in the ER, compared to APP695. Finally, we provide evidence that APP/APLP1 heterointeractions are likewise initiated in the ER, suggesting a similar mechanism for heterodimerization. Therefore, dynamic alterations of APP between monomeric, homodimeric, and possibly heterodimeric status could at least partially explain some of the variety in the physiological functions of APP.rn