Identifizierung biogene Amine bildender Bakterien und Einsatz von Enzymen zur Hemmung ihres Wachstums während der Weinbereitung

Mikroorganismen spielen eine wichtige Rolle in der Weinherstellung. Neben ihren positiven Stoffwechselaktivitäten wie die Bildung von Ethanol während der alkoholischen Gärung sind vor allem Bakterien in der Lage, Weinfehler zu verursachen. Einer dieser Weinfehler ist die Produktion von biogenen Aminen. Diese niedermolekularen Stickstoffverbindungen können zu verschiedenen Gesundheitsproblemen wie Bluthochdruck und Migräne führen. Aufgrund von hohen Ethanolgehalten und dem Vorkommen verschiedener biogener Amine kommt es im Wein zu einer Verstärkung dieser physiologischen Effekte. Um die Bildung dieser Verbindungen zu verhindern, ist es von speziellem Interesse, die verantwortlichen Mikroorganismen zu identifizieren und sie in ihrem Wachstum zu hemmen.In einem Teil der Dissertation stand die Isolierung und Identifizierung biogener Amine produzierender Bakterien aus deutschen Jungweinen und Mosten im Vordergrund. Es konnte gezeigt werden, dass hauptsächlich Milchsäurebakterien als potenzielle Produzenten in Frage kommen. Diese Bakteriengruppe war in hohen Titern in nahezu allen Proben vorhanden und stellt somit eine potentielle Gefahr für die Weinbereitung dar. Zur Identifizierung der Isolate wurden verschiedene molekularbiologische Methoden wie specifically amplified DNA polymorphic-PCR (Fingerprintmethode), Multiplex-PCR oder 16S rDNA-Sequenzierung angewandt. Das Screening bezüglich der Bildung von biogenen Aminen erfolgte mit Hilfe einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten hochauflösenden Dünnschichtchromatographie gefolgt von der Quantifizierung mittels HPLC.Zur Wachstumshemmung dieser Schadbakterien wurden zwei Exoenzyme aus Streptomyces albidoflavus B578 isolieren. Diese Enzyme wurden gereinigt und als eine Muramidase und eine Protease identifiziert. Aktivitätstests konnten zeigen, dass diese Enzyme eine hohe lytische Wirkung gegen weinrelevante Mikroorganismen aufweisen. Ebenso war die Aktivität der Enzyme unter Weinbedingungen sehr stabil. Aufgrund dieser Ergebnisse könnten diese Enzyme eine mögliche Alternative zur Zugabe von Lysozym oder Schwefeldioxid sein, welche konventionell in der Weinbereitung ihren Einsatz finden.

Mikrobiologie der Fermentation in NawaRo-Biogasanlagen unter besonderer Berücksichtigung des Abbaus von Propionsäure

In NawaRo-Biogasanlagen (BGA) kann es durch das Angebot an leicht fermentierbaren Kohlenstoff¬quel¬len zu einer bakteriell bedingten Übersäuerung durch unerwünschte kurzkettige Fettsäuren kommen. Häufiger kommt es zur Akkumulation von Propionsäure. Methanogene Archaea können bei niedrigen pH-Werten nicht mehr wachsen. Somit kann der gesamte Prozess der mikrobiellen Bildung von Biogas zum Erliegen kom¬men, was für die Biogasbetreiber zu erheblichen finanziellen Verlusten führt. Das Ziel dieser Disserta¬tion war die Aufklärung der anaeroben bakteriellen Population, die in Biogasanlagen Propionsäure ab¬bauen kann. Aus Propionat entsteht dabei Acetat und Wasserstoff. Da dieser anaerobe Prozess endergon verläuft, kann Propionsäure anaerob nur abgebaut werden, wenn der Wasserstoffpartialdruck niedrig ge¬halten wird. Diese Aufgabe erfüllen in Biogasanalgen methanogene Archaea. Die sog. sekundären Gärer leben somit in synthropher Kultur mit methanogenen Archaea.rnIn dieser Arbeit wurden die Mikroorganismen von Propionsäure-abbauenden Anreicherungskulturen aus vier NawaRo-BGA‘s identifiziert und ihr Substrat- und Produktspektrum analysiert. Die Anreicherungskul¬turen wurden vom Prüf- und Forschungsinstitut e. V. in Pirmasens zur Verfügung gestellt. Durch Analyse der bakteriellen 16S rDNA-Sequenzen der erhaltenen stabilen Propionsäure-abbauenden Mischkulturen wurde gezeigt, dass sich unter den Bakterien hauptsächlich Verwandte von den Clostridiales, aber auch Bacteroides sp., δ-, ε- so¬wie γ-Proteobakterien, Spirochäten, Synergistales und ungewöhnlicher Weise auch Thermotogales befanden. Aus Propionsäure-abbauenden Mischkulturen und aus Fermentern mesophiler NawaRo-Biogasanlagen wurden anaerobe Bakterien und methanogene Archaea angereichert und isoliert. Es wurden aus den Propionsäure-abbauenden Mischkulturen Stämme in Reinkultur erhalten, die entsprechend der 16S rDNA-Analyse als Clostridium sartagoforme Stamm Ap1a520 und Proteiniphilum acetatigenes Stamm Fp1a520 identifiziert wurden. Sowohl aus Fermentern und Nachgärern von drei NawaRo-BGA‘s als auch aus zwei Laborfermentern des Leibniz-Instituts für Agrartechnik in Potsdam-Bornim e.V. (ATB) wurden Reinkulturen von methanogenen Archaea erhalten. Diese konnten den Species Methanobacterium formicicum, Metha¬noculleus bourgensis, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina mazei, Methanosarcina sp., Methanosaeta concilii und Methanomethylovorans sp. zugeordnet werden. Damit wurden in dieser Arbeit unter anderem die typischen bisher nur durch molekularbiologische Methoden identifizierten Species methanogener Ar¬chaea aus unterschiedlichen Fermentern in Reinkultur erhalten. Dabei wurde gezeigt, dass die specifically amplified polymorphic DNA-PCR (SAPD-PCR) eine geeignete Methode darstellt, Stämme der gleichen Art methanogener Archaea voneinander zu unterscheiden. Die Methanproduktion der kultivierten methanoge¬nen Archaea wurde gaschromatographisch analysiert. Es zeigte sich, dass die hydrogenotrophe Metha¬nogenese der effizientere und ergiebigere Weg zur Bildung von Methan ist. Mit der Bestimmung der Zellzahl des Isolates Methanoculleus bourgensis Stamm TAF1.1 bei gleichzeitiger Messung der Methanbildung wurde gezeigt, dass die Methanbildung nicht zwangsläufig mit dem Wachstum korreliert. Ne-ben Pflanzenfasern beinhalteten das hergestellte Reaktorfiltrat in den Kultivierungsansätzen Acetat, die essentielle Aminosäure Valin und den Zuckeralkohol Glycerol. Gezielte Misch¬kul¬turen von sekundären Gärern mit methanogenen Isolaten ergaben einen fördernden Einfluss auf diese Bak¬terien durch hydrogenotrophe Archaea. Diese Bakterien bauten Substrate ab oder bildeten Produkte, die sie unter den gegebenen Bedingungen ohne hydrogenotrophe Archaea nicht umsetzen konnten.

Isolierung, Charakterisierung und Nachweis methanogener Archaea aus laufenden Praxis-NawaRo-Biogasanlagen unter besonderer Beruecksichtigung der Gattung Methanobacterium

Im Verlauf der Forschungsarbeit wurden Proben aus fünf, mit nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo) beschickten, landwirtschaftlichen Biogasanlagen (BGA) auf die Biozönose methanogener Archaea hin molekularbiologisch untersucht. Über „amplified rDNA restriction analysis“-Screening (ARDRA) von Bibliotheken auf Basis von 16S rRNA-Genfragmenten konnte anhand zweier beispielhafter BGA das Vorkommen von Vertretern der Gattungen Methanoculleus (Mcu.), Methanobacterium (Mb.), Methanosarcina (Msc.) und Methanosaeta (Mst.) nachgewiesen werden. Mittels denaturierender Gradienten-Gelelektrophorese (DGGE) wurde das Vorkommen dieser Mikroorganismen auch in den übrigen Anlagen gezeigt. Ergänzend dazu wurde in drei Anlagen Methanospirillum hungatei nachgewiesen. Nach Ausarbeitung gattungsspezifischer Isolierungsstrategien konnten insgesamt zehn Vertreter der Gattung Methanobacterium (Isolate Mb1 bis Mb10) und jeweils ein Vertreter der Gattungen Methanoculleus (Isolat Mcu(1)), Methanosarcina (Isolat NieKK) und Methanosaeta (Isolat Mst1.3) aus den BGA-Proben isoliert werden. Durch in silico-Abgleich der partiellen 16S rRNA-Gensequenzen wurden diese als Verwandte von Mb. formicicum MFT, Mcu. bourgensis MS2T, Msc. mazei S-6T und Mst. concilii FE mit einer Sequenzidentität > 97% identifiziert. Im Laufe weiterer molekularbiologischer Untersuchungen mittels DGGE und ARDRA-Analyse konnten die Isolate den Referenzstämmen zugeordnet werden. In Bezug auf die Gattung Methanobacterium ergaben sich jedoch leichte Abweichungen. Diese bestätigten sich in vergleichenden Analysen des genomischen Fingerabdrucks in der „specifically amplified polymorphic DNA“-PCR (SAPD-PCR), welche im Rahmen dieser Arbeit erstmalig erfolgreich auf archaeelle Organismen angewandt wurde. Hier zeigten die Isolate zwei von den Fingerabdrücken der untersuchten Referenzstämme verschiedene Hauptamplifikationsmuster. Aufgrund der Vielzahl der Isolate sowie dem signifikanten Vorkommen in qPCR-Analysen und Klonbibliotheken fokussierten sich die weiteren Arbeiten zur genauen Untersuchung dieser Abweichungen auf phylogenetische Analysen der Gattung Methanobacterium und die Entwicklung von Nachweissystemen. Die Aufklärung eines Großteils der 23S rRNA-Gensequenzen der Isolate und von ausgewählten Typstämmen ermöglichte ergänzende phylogenetische Untersuchungen zu durchgeführten 16S rRNA-Analysen. Dabei wurden die Isolate jeweils in einem eigenen Cluster abseits der meisten Referenzstämme aus der Gattung Methanobacterium positioniert. Analog zur Musterbildung im Rahmen der SAPD-Analyse zeigte sich eine Differenzierung in zwei Äste und ergab in Übereinstimmung mit den in silico-Sequenzabgleichen den höchsten Verwandtschaftsgrad mit Mb. formicicum MFT. Die Eignung der SAPD-PCR zur Ableitung spezifischer Primerpaare konnte erstmals auch für methanogene Archaea gezeigt werden. Die Ableitung zweier Primerpaare mit Spezifität für die Methanobacterium-Isolate Mb1 bis Mb10 sowie für den Typstamm Mb. formicicum MFT gelang und konnte im Rahmen eines Direkt-PCR-Nachweises erfolgreich auf Reinkulturen und Fermenterproben angewandt werden. Unter Einbezug der sequenzierten 23S rRNA-Genfragmente gelang die Erstellung von Oligonukleotid-Sonden für den Einsatz in Fluoreszenz in situ-Hybridisierungsexperimenten. Im Praxistest ergab sich für diese Sonden eine Spezifität für alle getesteten Vertreter der Gattung Methanobacterium sowie für Methanosphaera stadtmanae MCB-3T und Methanobrevibacter smithii PST.rnSomit konnten im Laufe der Arbeit die dominanten methanogenen Archaea in NawaRo-BGA in mehrphasigen Experimenten nachgewiesen, quantifiziert und auf nur wenige Gattungen eingegrenzt werden. Vertreter der vier dominanten Gattungen wurden isoliert und Nachweissysteme für Arten der Gattung Methanobacterium erstellt.rn

Entwicklung und Evaluierung von Methoden zur zeitnahen Identifizierung weinrelevanter Mikroorganismen

Hefen der Gattung Saccharomyces und Milchsäurebakterien sind bei der Weinbereitung von besonderer Bedeutung. Neben der alkoholischen Gärung sind Hefen an der Ausbildung von Aromastoffen beteiligt. Milchsäurebakterien spielen eine Rolle beim biologischen Säureabbau (malolaktische Fermentation), können jedoch aufgrund ihrer Stoffwechseleigenschaft weitere Aromamodifikationen bewirken. Die Zusammensetzung der mikrobiellen Flora zu verschiedenen Zeitpunkten der Weinbereitung hat einen direkten Einfluss auf die Qualität der Weine, welche sich sowohl positiv als auch negativ verändern kann. Daher ist die zuverlässige Identifizierung und Differenzierung verschiedener Mikroorganismen auf Art- aber auch Stamm-Ebene während der Vinifikation von Bedeutung.rnDer erste Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Differenzierung von Hefearten der Gattung Saccharomyces, welche mit Hilfe konventioneller Methoden nicht eindeutig identifiziert werden können. Unter Verwendung des DNA-Fingerprintverfahrens Specifically Amplified Polymorphic DNA (SAPD)-PCR sowie der Matrix-Assisted-Laser-Desorption/Ionization-Time-Of-Flight-Mass-Spectrometry (MALDI-TOF-MS) war eine Differenzierung dieser taxonomisch sehr nah verwandten Arten möglich. Weiterhin konnten interspezifische Hybridstämme detektiert werden. In diesem Zusammenhang wurde der Hybridcharakter des Stammes NCYC 3739 (S. cerevisiae x kudriavzevii) entdeckt. Um die Elternspezies eines Hybridstamms zuverlässig zu bestimmen, sind weiterführende Genanalysen notwendig. Hierzu konnte eine Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (RFLP)-Analyse verschiedener genetischer Marker erfolgreich herangezogen werden.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde weiterhin ein Schnellidentifizierungssystem zum Nachweis weinrelevanter Milchsäurebakterien entwickelt. Mit Hilfe der Sequence Characterized Amplified Region (SCAR)-Technik konnten artspezifische Primer generiert werden, welche auf der Grundlage charakteristischer Fragmente der SAPD-PCR abgeleitet wurden. Durch die Anwendung dieser Primer in einer Multiplex-PCR-Reaktion war die Detektion verschiedener, einerseits häufig in Wein vorkommender und andererseits potentiell an der Ausbildung von Weinfehlern beteiligter Milchsäurebakterien-Arten möglich. Die ermittelte Nachweisgrenze dieser Methode lag mit 10^4 - 10^5 Zellen/ml im Bereich der Zelltiter, die in Most und Wein anzutreffen sind. Anhand der Untersuchung verschiedener Weinproben von Winzern in Rheinhessen wurde die Praxistauglichkeit dieser Methode demonstriert. rnUm die gesamten Milchsäurebakterien-Population im Verlauf der Weinbereitung zu kontrollieren, kann die Denaturierende Gradienten-Gelelektrophorese herangezogen werden. Hierzu wurden in dieser Arbeit Primer zur Amplifikation eines Teilbereichs des rpoB-Gens abgeleitet, da dieses Gen eine Alternative zur 16S rDNA darstellt. Die DNA-Region erwies sich als geeignet, um zahlreiche weinrelevante Milchsäurebakterien-Arten zu differenzieren. In einigen ersten Versuchen konnte gezeigt werden, dass diese Methode für eine praktische Anwendung in Frage kommt.rnOenococcus oeni ist das wichtigste Milchsäurebakterien während der malolaktischen Fermentation und wird häufig in Form kommerzieller Starterkulturen eingesetzt. Da verschiedene Stämme unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können, ist es von Bedeutung, die Identität eines bestimmten Stammes zweifelsfrei feststellen zu können. Anhand der Analyse verschiedener O. oeni-Stämme aus unterschiedlichen Weinbaugebieten konnte gezeigt werden, dass sowohl die nested SAPD-PCR als auch die MALDI-TOF-MS genügend Sensitivität aufweisen, um eine Unterscheidung auf Stamm-Ebene zu ermöglichen, wobei die mittels nSAPD-PCR ermittelten Distanzen der Stämme zueinander mit deren geographischer Herkunft korrelierte.rnDie in der vorliegenden Arbeit entwickelten Methoden können dazu beitragen, den Prozess der Weinherstellung besser zu kontrollieren und so eine hohe Qualität des Endproduktes zu gewährleisten.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.

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

Isolierung von Essigsäure-, Propionsäure- und Buttersäure-bildenden Bakterien aus Biogasanlagen

In der vorliegenden Arbeit wurden Essigsäure-, Propionsäure und Buttersäure-bildende Bakterien aus einer thermophilen und drei mesophilen Biogasanlagen sowie aus zwei Hochdruck-Biogas-Laborfermentern isoliert. Die Fermenter waren mit dem nachwachsenden Rohstoff Maissilage, teilweise mit Rinder- oder Schweinegülle und weiteren festen Inputstoffen gefüttert. Für die Isolierung von Säure-bildenden Bakterien wurde ein Mineralsalzmedium verwendet, welchem als Kohlenstoffquelle Na-DL-Laktat, Succinat, Ethanol, Glycerin, Glucose oder eine Aminosäuremischung (Alanin, Serin, Threonin, Glutaminsäure, Methionin und Cystein) hinzugefügt wurde. Hierbei handelt es sich um Substrate, welche beim anaeroben Abbau während der Hydrolyse oder der primären Gärung entstehen können. Die erhaltenen Isolate waren in der Lage, aus diesen Substraten Essigsäure, Propionsäure oder Buttersäure zu bilden. Insgesamt wurden aus den beprobten Anlagen 49 Isolate gewonnen, welche zu den Phyla Firmicutes, Tenericutes oder Thermotogae gehörten. Mit Hilfe von 16S rDNA-Sequenzen konnten die meisten Isolate als Clostridium sporosphaeroides, Defluviitoga tunisiensis und Dendrosporobacter sp. identifiziert werden. Die Bildung von Essigsäure, Propionsäure oder Buttersäure wurde in Kulturen von Isolaten festgestellt, welche als folgende Arten identifiziert wurden: Bacillus thermoamylovorans, Clostridium aminovalericum, Clostridium cochlearium/Clostridium tetani, Clostridium sporosphaeroides, Dendrosporobacter sp., Proteiniborus sp., Selenomonas bovis und Tepidanaerobacter sp. Zwei Isolate, verwandt mit Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, konnten Buttersäure und Milchsäure bilden. In Kulturen von Defluviitoga tunisiensis wurde Essigsäurebildung festgestellt. Ein Vergleich der 16S rDNA-Sequenzen mit Datenbanken und die Ergebnisse der PCR-Amplifikationen mit Isolat-spezifischen Primerpaaren ergaben zusätzlich Hinweise, dass es sich bei einigen Isolaten um neue Arten handeln könnte (z. B. Stamm Tepidanaerobacter sp. AS34, Stamm Proteiniborus sp. ASG1.4, Stamm Dendrosporobacter sp. LG2.4, Stamm Desulfotomaculum sp. EG2.4, Stamm Gallicola sp. SG1.4B und Stamm Acholeplasma sp. ASSH51). Durch die Entwicklung Isolat-spezifischer Primerpaare, abgeleitet von 16S rDNA-Sequenzen der Isolate oder Referenzstämmen, konnten die Isolate in Biogasanlagen detektiert und mittels qPCR quantifiziert werden (hauptsächlich im Bereich zwischen 1000 bis 100000000 Kopien der 16S rDNA/g BGA-Probe). Weiterhin konnten die Isolate mit Hilfe physiologischer Versuche charakterisiert und deren Rolle in der anaeroben Abbaukette diskutiert werden. Die Art Defluviitoga tunisiensis scheint eine große Bedeutung in Biogasanlagen zu spielen. Defluviitoga tunisiensis wurde am häufigsten in Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit isoliert und konnte auch mit Hilfe des entwickelten Primerpaares in hohen Abundanzen in den beprobten Biogasanlagen detektiert werden (10000 - 100000000 Kopien der 16S rDNA/g BGA-Probe). Die manuelle Annotation des Gesamtgenoms sowie die Substratverwertungsversuche haben gezeigt, dass Defluviitoga tunisiensis ein sehr breites Substratspektrum in der Verwertung von Kohlenhydraten besitzt und dadurch möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Verwertung von Biomasse in Biogasanlagen einnimmt. Mit Hilfe der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit konnten somit neue Einblicke in die zweite Stufe des anaeroben Abbaus, die Acidogenese, in Biogasanlagen gegeben werden. rn

Prokaryotic community structure in ultra-slow spreading Southwest Indian Ridge.

The Southwest Indian Ridge segment that extends between 10° and 16° E has the slowest spreading rate of any other oceanic ridge (about 8.4 mm/year). In 2013 during the expedition ANTXXIX/8 seismology, geology, microbiology, heat flow analyses were carried out. Here, no hydrothermal plumes or black smoker systems were found but the results of the survey allowed to identify areas with peculiar characteristics: Area 1 with higher heat flux bsf; Area 2 where in 2002 the presence of hydrothermal emissions was hypothesized (Bach et al., 2002); Area 3 with anomalies of methane, ammonium, sulphide and dissolved inorganic carbon in pore water sediment profiles, and recovery of fauna vents. All these aspects suggest the presence of a hydrothermal circulation. Using Illumina 16S gene tag, statistical tools and phylogenetic trees, I provided a biological proof of the presence of hydrothermal circulation in this ridge segment. At Area 3, alpha and beta diversity indexes showed similarities with those described for venting microbial communities and about 40-70% of the dominant microbial community was found phylogenetically related to clones isolated hydrothermal-driven environments. Although the majority of chemosynthetic environment related taxa were not classified like autotrophic prokaryotes, some of them are key taxa in support of the presence of hydrothermal circulation, since they are partners of consortia or mediate specific reaction typically described for hydrothermal and seep environments, or are specialized organisms in exploiting labile organic substrates. Concluding, these results are remarkable because support the importance of ultra slow spreading ridge systems in contributing to global geochemical cycles and larval dispersion of vent fauna.

Short-term effects of systemic antibiotics during periodontal healing

OBJECTIVES: To investigate the short-term effects of nonsurgical therapy (scaling and root planing, SRP) on the subgingival microbiota in chronic (CP) and aggressive (AP) periodontal disease. METHOD AND MATERIALS: Ninety-seven CP and AP subjects underwent full-mouth SRP on 2 consecutive days. AP patients were randomly assigned to either receive systemic metronidazole plus amoxicillin (AP+AB) or were treated mechanically alone (AP). Pathogens were identified with 16S rRNA oligodeoxynucleotide probes and dot-blot hybridization before and at days 2, 3, 4, 7, 10, and 21 of healing. CP subjects were treated by scaling and root planing along with placebo tablets. RESULTS: Initially, AP cell counts were 69.9- (Porphyromonas gingivalis), 10.2- (Aggregatibacter actinomycetemcomitans), 5.7- (Tannerella forsythia), and 3.3-fold (Prevotella intermedia) enhanced compared to CP cell counts. Following SRP, immediate elimination occurred in single individuals of all three treatment groups at day 2. After SRP plus antibiotic therapy (AP+AB), the prevalence scores dropped beyond the levels of AP and CP, beginning at day 7, and remained low until day 21 (P =or< .05). Clinical healing statistically benefited from SRP with no differences among the three treatment groups. CONCLUSION: Nonsurgical therapy resulted in both a suppression and early elimination of single taxa immediately after completion of active treatment. Systemic antibiotics significantly accelerate the suppression of the periodontal microflora, but have limited effect on the elimination of target isolates during healing.

Like will to like: abundances of closely related species can predict susceptibility to intestinal colonization by pathogenic and commensal bacteria

The intestinal ecosystem is formed by a complex, yet highly characteristic microbial community. The parameters defining whether this community permits invasion of a new bacterial species are unclear. In particular, inhibition of enteropathogen infection by the gut microbiota ( = colonization resistance) is poorly understood. To analyze the mechanisms of microbiota-mediated protection from Salmonella enterica induced enterocolitis, we used a mouse infection model and large scale high-throughput pyrosequencing. In contrast to conventional mice (CON), mice with a gut microbiota of low complexity (LCM) were highly susceptible to S. enterica induced colonization and enterocolitis. Colonization resistance was partially restored in LCM-animals by co-housing with conventional mice for 21 days (LCM(con21)). 16S rRNA sequence analysis comparing LCM, LCM(con21) and CON gut microbiota revealed that gut microbiota complexity increased upon conventionalization and correlated with increased resistance to S. enterica infection. Comparative microbiota analysis of mice with varying degrees of colonization resistance allowed us to identify intestinal ecosystem characteristics associated with susceptibility to S. enterica infection. Moreover, this system enabled us to gain further insights into the general principles of gut ecosystem invasion by non-pathogenic, commensal bacteria. Mice harboring high commensal E. coli densities were more susceptible to S. enterica induced gut inflammation. Similarly, mice with high titers of Lactobacilli were more efficiently colonized by a commensal Lactobacillus reuteri(RR) strain after oral inoculation. Upon examination of 16S rRNA sequence data from 9 CON mice we found that closely related phylotypes generally display significantly correlated abundances (co-occurrence), more so than distantly related phylotypes. Thus, in essence, the presence of closely related species can increase the chance of invasion of newly incoming species into the gut ecosystem. We provide evidence that this principle might be of general validity for invasion of bacteria in preformed gut ecosystems. This might be of relevance for human enteropathogen infections as well as therapeutic use of probiotic commensal bacteria.

Meningitis caused by Mycoplasma mycoides subspecies capri in a goat

A 2-year-old, female goat from Connecticut was submitted for necropsy with a 5-day history of pyrexia and intermittent neurologic signs, including nystagmus, seizures, and circling. Postmortem examination revealed suppurative meningitis. Histologic examination of the brain revealed that the meninges were diffusely infiltrated by moderate numbers of lymphocytes, macrophages, and fibrin, with scattered foci of dense neutrophilic infiltrate. Culture of pus and brainstem yielded typical mycoplasma colonies. DNA sequencing of the 16S ribosomal RNA gene revealed 99% sequence homology with Mycoplasma mycoides subspecies capri and Mycoplasma mycoides subspecies mycoides Large Colony biotype, which are genetically indistinguishable and likely to be combined as a single subspecies labeled M. mycoides subsp. capri. The present case is unusual in that not only are mycoplasma an uncommon cause of meningitis in animals, but additionally, in that all other reported cases of mycoplasma meningitis in goats, systemic lesions were also present. In the present case, meningitis was the only lesion, thus illustrating the need to consider mycoplasma as a differential diagnosis for meningitis in goats.

Actinobaculum schaalii an emerging pediatric pathogen?

Background Actinobaculum schaalii was first described as a causative agent for human infection in 1997. Since then it has mainly been reported causing urinary tract infections (UTI) in elderly individuals with underlying urological diseases. Isolation and identification is challenging and often needs molecular techniques. A. schaalii is increasingly reported as a cause of infection in humans, however data in children is very limited. Case presentation We present the case of an 8-month-old Caucasian boy suffering from myelomeningocele and neurogenic bladder who presented with a UTI. An ultrasound of the urinary tract was unremarkable. Urinalysis and microscopy showed an elevated leukocyte esterase test, pyuria and a high number of bacteria. Empiric treatment with oral co-trimoxazole was started. Growth of small colonies of Gram-positive rods was observed after 48 h. Sequencing of the 16S rRNA gene confirmed an A. schaalii infection 9 days later. Treatment was changed to oral amoxicillin for 14 days. On follow-up urinalysis was normal and urine cultures were negative. Conclusions A.schaalii is an emerging pathogen in adults and children. Colonization and subsequent infection seem to be influenced by the age of the patient. In young children with high suspicion of UTI who use diapers or in children who have known abnormalities of their urogenital tract, infection with A. schaalii should be considered and empiric antimicrobial therapy chosen accordingly.

Classification of organisms previously reported as the SP and Stewart-Letscher groups, with descriptions of Necropsobacter gen. nov. and of Necropsobacter rosorum sp. nov. for organisms of the SP group

To allow classification of bacteria previously reported as the SP group and the Stewart-Letscher group, 35 isolates from rodents (21), rabbits (eight), a dog and humans (five) were phenotypically and genotypically characterized. Comparison of partial rpoB sequences showed that 34 of the isolates were closely related, demonstrating at least 97.4 % similarity. 16S rRNA gene sequence comparison of 20 selected isolates confirmed the monophyly of the SP group and revealed 98.5 %-100 % similarity between isolates. A blast search using the 16S rRNA gene sequences showed that the highest similarity outside the SP group was 95.5 % to an unclassified rat isolate. The single strain, P625, representing the Stewart-Letscher group showed the highest 16S rRNA gene similarity (94.9-95.5 %) to members of the SP group. recN gene sequence analysis of 11 representative strains resulted in similarities of 97-100 % among the SP group strains, which showed 80 % sequence similarity to the Stewart-Letscher group strain. Sequence similarity values based on the recN gene, indicative for whole genome similarity, showed the SP group being clearly separated from established genera, whereas the Stewart-Letscher group strain was associated with the SP group. A new genus, Necropsobacter gen. nov., with only one species, Necropsobacter rosorum sp. nov., is proposed to include all members of the SP group. The new genus can be separated from existing genera of the family Pasteurellaceae by at least three phenotypic characters. The most characteristic properties of the new genus are that haemolysis is not observed on bovine blood agar, positive reactions are observed in the porphyrin test, acid is produced from (+)-L-arabinose, (+)-D-xylose, dulcitol, (+)-D-galactose, (+)-D-mannose, maltose and melibiose, and negative reactions are observed for symbiotic growth, urease, ornithine decarboxylase and indole. Previous publications have documented that both ubiquinones and demethylmenaquinone were produced by the proposed type strain of the new genus, Michel A/76(T), and that the major polyamine of representative strains (type strain not included) of the genus is 1,3-diaminopropane, spermidine is present in moderate amounts and putrescine and spermine are detectable only in minor amounts. The major fatty acids of strain Michel A/76(T) are C(14 : 0), C(16 : 0), C(16:1)omega7c and summed feature C(14 : 0) 3-OH/iso-C(16 : 1) I. This fatty acid profile is typical for members of the family Pasteurellaceae. The G+C content of DNA of strain Michel A/76(T) was estimated to be 52.5 mol% in a previous investigation. The type strain is P709(T) ( = Michel A/76(T) = CCUG 28028(T) = CIP 110147(T) = CCM 7802(T)).

Proposal of Bisgaardia hudsonensis gen. nov., sp. nov. and an additional genomospecies, isolated from seals, as new members of the family Pasteurellaceae

Phenotypic and phylogenetic studies were performed on eight Gram-negative-staining, rod-shaped bacteria isolated from seals. Biochemical and physiological studies showed identical profiles for all of the isolates and indicated that they were related to the family Pasteurellaceae. 16S rRNA gene sequencing demonstrated that the organism represented a distinct cluster with two sublines within the family Pasteurellaceae with <96% sequence similarity to any recognized species. Multilocus sequence analysis (MLSA) including rpoB, infB and recN genes further confirmed these findings with the eight isolates forming a genus-like cluster with two branches. Genome relatedness as deduced from recN gene sequences suggested that the isolates represented a new genus with two species. On the basis of the results of the phylogenetic analysis and phenotypic criteria, it is proposed that these bacteria from seals are classified as Bisgaardia hudsonensis gen. nov., sp. nov. (the type species) and Bisgaardia genomospecies 1. The G+C content of the DNA was 39.5 mol%. The type strain of Bisgaardia hudsonensis gen. nov., sp. nov. is M327/99/2(T) (=CCUG 43067(T)=NCTC 13475(T)=98-D-690B(T)) and the reference strain of Bisgaardia genomospecies 1 is M1765/96/5 (=CCUG 59551=NCTC 13474).

A new variant of Actinobacillus pleuropneumoniae serotype 3 lacking the entire apxII operon

Actinobacillus pleuropneumoniae is an important respiratory pathogen causing pleuropneumonia in pig. The species is genetically characterized by the presence of 4 RTX (Repeats in the Structural ToXin) toxin genes: apxI, apxII, and apxIII genes are differentially present in various combinations among the different serotypes, thereby defining pathogenicity; the apxIV gene is present in all serotypes. Polymerase chain reaction (PCR)-based apx gene typing is done in many veterinary diagnostic laboratories, especially reference laboratories. The present report describes the isolation of atypical A. pleuropneumoniae from 4 independent cases from 2 countries. All isolates were beta-nicotinamide adenine dinucleotide (beta-NAD) dependent and nonhemolytic but showed strong co-hemolysis with the sphingomyelinase of Staphylococcus aureus on sheep blood agar. Classical biochemical tests as well as Matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry and sequence-based analysis (16S ribosomal RNA [rRNA] and rpoB genes) identified them as A. pleuropneumoniae. Apx-toxin gene typing using 2 different PCR systems showed the presence of apxIV and only the apxIII operon (apxIIICABD). None of the apxI or apxII genes were present as confirmed by Southern blot analysis. The 16S rRNA and rpoB gene analyses as well as serotype-specific PCR indicate that the isolates are variants of serotype 3. Strains harboring only apxIV and the apxIII operon are possibly emerging types of A. pleuropneumoniae and should therefore be carefully monitored for epidemiological reasons.