Mikrobieller Metabolismus von 2,4-Dichlorphenol in der Drilosphäre und Einfluss auf die N2O-Bildung : Verknüpfung von Prozessen mit Populationen

2,4-Dichlorphenol (2,4-DCP) stellt eine kommerziell bedeutende Verbindung dar. Aufgrund der hohen Toxizität wird 2,4-DCP zu den prioritären Schadstoffen gezählt. 2,4-DCP unterliegt verschiedenen Abbau- und Transformationsprozessen, die in der Regel von Mikroorganismen durchgeführt werden. Regenwürmer repräsentieren in den meisten Böden die dominierende Bodentierpopulation und nehmen durch ihre Grabtätigkeit starken Einfluss auf ihre Umwelt. Der Boden, der direkt dem Einfluss von Regenwürmern unterliegt, wird als Drilosphäre bezeichnet. Regenwürmer sind in der Lage, in situ das Treibhausgas N2O zu emittieren. Schadstoffe, in Form von Pestiziden und deren Abbauprodukte, beeinflussen N2O-bildende Prozesse wie die Denitrifikation in Böden. Ziel dieser Arbeit war es, in der Drilosphäre und dem umliegenden Boden (a) den mikrobiellen Prozess des 2,4-DCP Abbaus mit den involvierten mikrobiellen Populationen zu verknüpfen und (b) den möglichen Einfluss von 2,4-DCP auf die N2O-Bildung zu klären. Die Abnahme von 2,4-DCP in Mikrokosmen mit Ackerboden erfolgte in allen Ansätzen ohne Verzögerungen, anoxische Inkubationen zeigten im Vergleich zur oxischen Inkubation jedoch einen stark verlangsamten und weniger effizienten Abbau. Erfasste Keimzahlen (MPNs) anaerober 2,4-DCP Verwerter in feldfrischem Boden waren signifikant niedriger als die korrespondierender aerober Abbauer. Bodensäulenversuche mit feldfrischem Ackerboden zeigten eine kontinuierliche Abnahme in situ relevanter 2,4-DCP Konzentrationen in Gegenwart und Abwesenheit des endogäischen Regenwurms Aporrectodea caliginosa. Bodensäulen mit Regenwürmern wiesen dabei eine zügigere 2,4-DCP Abnahme auf als Bodensäulen ohne Regenwürmer. Die aus 2,4-DCP-supplementierten Bodensäulen gewonnenen Gangwand- und Kotkrümelproben wiesen signifikant höhere MPNs auf als (a) der feldfrische Boden vor Inkubationsbeginn, (b) 2,4-DCP-unbehandelte Drilosphären- und Bodenproben sowie (c) Proben des Darminhaltes, was auf einen stimulierenden Effekt von 2,4-DCP auf das Wachstum 2,4-DCP-verwertender Mikroorganismen verweist. Die Abundanz der am Abbau von 2,4-DCP beteiligten strukturellen Gene tfdB (kodiert eine 2,4-DCP Hydroxylase), tfdC (kodiert die 3,5-Dichlorcatechol-1,2-Dioxygenase) und pheA (kodiert eine Phenolhydroxylase) wurde positiv durch die Gegenwart von Regenwürmern sowie von 2,4-DCP beeinflusst. Die in Bodensäulen am Abbau von 2,4-DCP beteiligten Bakterien wurden anhand von tfdB und pheA phylogenetisch gruppiert. Die detektierte Diversität dieser Genmarker wurde weder von 2,4-DCP noch von A. caliginosa signifikant verändert. Die Analyse von tfdB-Teilsequenzen mittels Pyrosequenzierung und klassischen Genbibliotheken identifizierte dieselben dominanten Taxa (u.a. Mycobacteriaceae). Mit Hilfe des CAP-SIP-Ansatzes wurde eine Vielzahl an unterschiedlichen Taxa identifiziert, die in situ relevante 2,4-DCP-[13C] Konzentrationen im Verlauf der Bodensäulen- und Mikrokosmeninkubation unter oxischen Bedingungen assimilierten. Darunter die als 2,4-DCP Abbauer bekannten Comamonadaceae, Pseudomonadaceae, Burkholderiaceae, Bradyrhizobiaceae, Sphingomonadaceae, Bacillaceae und Flavobacteriaceae. Zusätzlich konnten in der vorliegenden Arbeit erstmals Vertreter der Polyangiaceae, Geobacteraceae, Peptococcaceae sowie Holophagaceae als aktive 2,4-DCP-[C] Verwerter identifiziert werden. Der Einfluss von in situ relevanten 2,4-DCP Konzentrationen auf die N2O-Bildung wurde anhand von Bodensäulen und Mikrokosmen mit feldfrischem Boden untersucht. Während Keimzahlen denitrifizierender Mikroorganismen in 2,4-DCP-vorbehandelten Bodenproben aus Bodensäuleninkubationen in der Regel signifikant höher als in den korrespondierenden 2,4-DCP-unbehandelten Proben waren, konnten signifikant höhere MPNs denitrifizierender Mikroorganismen im Darminhalt ohne 2,4-DCP Vorbehandlung detektiert werden. Ein Einfluss von 2,4-DCP auf die MPNs in Gangwänden und Kotkrümeln wurde hingegen nicht nachgewiesen. Zudem zeigte sich kein Einfluss einer 2,4-DCP Vorbehandlung auf die Abundanz struktureller Gene von (de)nitrifizierenden und Ammonium-oxidierenden Bakterien und Archaeen. Eine TRFLP-Analyse des für die periplasmatische N2O-Reduktase kodierenden Gens nosZ konnte ebenfalls keinen Effekt von 2,4-DCP auf die phylogenetische Zusammensetzung nosZ-tragender Bakterien nachweisen. Verglichen dazu waren die N2O-Bildungsraten, die Keimzahlen von Denitrifikanten und die Abundanzen relevanter struktureller Gene in Proben aus Regenwurm-supplementierten Bodensäulen signifikant höher als in Regenwurm-unbehandelten Proben. Die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse legen die Schlussfolgerung nahe, dass (a) in situ relevante 2,4-DCP Konzentrationen durch eine Reihe an unterschiedlichen, bekannten aber auch bislang unbekannten, Mikroorganismen zügig umgesetzt werden können, (b) die Abundanz sowie die Diversität dieser 2,4-DCP-abbauenden Mikroorganismen bislang unterschätzt wurde, (c) Regenwürmer den 2,4-DCP Abbau beschleunigen, indem sie das Wachstum von 2,4-DCP Abbauern stimulieren und (d) die N2O-Bildung stärker durch die Anwesenheit des Regenwurmes als durch 2,4-DCP beeinflusst wird.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Bayreuth

Year

2015

Author dc:creator

• Dallinger, Anja

Contributors dc:contributor

• Horn, Marcus

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https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/2725/

OAI identifier oai:identifier

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