TU Berlin

UmweltmikrobiologiePublikationen

Umweltmikrobiologie Logo, Wassertropfen unter Lupe betrachtet

Inhalt des Dokuments

zur Navigation

Publikationsliste des Fachgebiets

Physiologie nährstofflimitierter Bakterien in Membranbioreaktoren
Zitatschlüssel Keil2007
Autor Keil, Claudia
Jahr 2007
Schule Technische Universität Berlin, FG Umweltmikrobiologie
Zusammenfassung Heterotrophe Bakterien sind sowohl in natürlichen wie in technischen Systemen vielfach oligotrophen Bedingungen ausgesetzt, auf die sie speziesspezifisch mit unterschiedlichen Überlebensstrategien reagieren. Eine mögliche Reaktion auf nährstofflimitierende Bedingungen ist das Einstellen der Zellteilung, so dass die zur Verfügung stehenden Substrate hauptsächlich für den Erhalt der Zelle genutzt werden (Erhaltungsstoffwechsel). Unser derzeitiges Verständnis der Anpassungsstrategien entstammt zumeist Untersuchungen an relativ kurzzeitigen Kultivierungen in Batch- oder Chemostatkulturen. Diese eignen sich für die Analyse kurzfristiger Stressantworten und deren Regulation, spiegeln jedoch nicht die langfristig nährstofflimitierenden Bedingungen wider, denen Bakterien in ihren natürlichen Habitaten und artifiziellen Systemen wie in der Abwasserreinigung ausgesetzt sind. In dieser Arbeit wurden die verfahrenstechnischen Voraussetzungen zur langfristigen Untersuchung von substratlimitierten, nicht-wachsenden Bakterien im Erhaltungsstoffwechsel geschaffen und das Wachstumsverhalten einer Reinkultur eines Escherichia coli Umweltisolates erstmals unter diesen Bedingungen detailliert beschrieben und dem von langfristig hungernden Zellen in Batch-Kulturen gegenübergestellt. Dazu wurde ein Membranbioreaktorsystem (MBR) etabliert, das die langfristige Kultivierung der Bakterien bei kontinuierlicher Versorgung mit gering konzentrierten Nährstoffen unter vollständigem Bakterienrückhalt ermöglichte. Die Bakterienpopulation im MBR zeigte nach einer vierwöchigen Wachstumsphase eine gleich bleibende Biomassekonzentration 6,6 g Trockengewicht pro Liter während die Wachstumsphase der Batch-Kultur bereits nach wenigen Tagen bei einer um 90 % geringeren Zellzahl abgeschlossen war. Ein gleich bleibend geringer Anteil an toten Zellen (10 %), ein geringer Gehalt an mikroskopisch detektierbaren Teilungsstadien sowie distinkte C2 und C4 Verteilungen der DNA und das Fehlen von mikroskopisch sichtbaren Lyseprodukten deuten auf ein Nicht-Wachstum der Zellen im MBR ab der fünften Woche hin. Im weiteren Verlauf der zehnwöchigen Kultivierung wurde die Ausbildung von Subpopulationen der nicht-wachsenden Zellen mit unterschiedlicher Aktivität observiert. Während der Anteil vermeintlich lebender Zellen (BacLight) im MBR über den Versuchszeitraum bei 90 % annähernd konstant blieb, nahmen die Anteile potentiell teilungsfähiger Zellen (DVC), der hybridisierbaren Zellen (FISH) und der metabolisch aktiven Zellen (CTC) sowie der kultivierbaren Zellen (KBE) ab. Demgegenüber stieg der Anteil der lebensfähigen, aber nicht kultivierbaren Zellen (VBNC) bis auf 60 % an. Der Batch-Ansatz zeigte einen im Vergleich zum MBR um gut 50 % verminderten Anteil an metabolisch aktiven Zellen (CTC), wohingegen der Anteil an kultivierbaren Zellen am Ende des Experimentes im Batch-Ansatz um gut ein Drittel höher war als im MBR. Mit Hilfe der Durchflusszytometrie wurde im MBR neben den auch im Batch-Ansatz auftretenden C2 und C4 Verteilungen der DNA, eine Subpopulation von Zellen (47 %) mit reduziertem DNA-Gehalt detektiert, die im Batch-Ansatz nicht auftrat. Weitere Hinweise auf eine veränderte Zellphysiologie der Bakterien im Langzeit-Erhaltungsstoffwechsel lieferte der Vergleich der mittels 2D-Gelelektrophorese bzw. mittels MALDI-TOF Massenspektrometrie visualisierten Proteinmuster von wachsenden sowie kurzzeitig und langfristig nicht-wachsenden Zellen im MBR. Insgesamt wurden beim Vergleich von wachsenden und nicht-wachsenden Zellen circa 146 Proteine und beim Vergleich von kurzzeitig und langfristig nicht-wachsenden Zellen circa 73 Proteine unterschiedlich exprimiert. Weiterhin konnten MBR- bzw. Batch-spezifische Proteine im niedermolekularen Bereich mit MALDI-TOF MS nachgewiesen werden. Die in Fraßversuchen ermittelte Verwertbarkeit der Bakterien aus dem MBR für den bakterivoren Ciliaten Tetrahymena thermophila war im Gegensatz zur Verwertbarkeit von Bakterien aus dem Batch-Ansatz und aus einer Übernachtkultur zudem vermindert. Zusammenfassend ist davon auszugehen, dass nicht-wachsende aber kontinuierlich mit geringen Substratkonzentrationen versorgte Bakterien im MBR unter Ausbildung von heterogenen Populationen komplexe Adaptionsstrategien verfolgen, die sich von hungernden Zellen in Batch-Kulturen unterscheiden. Die in dieser Arbeit an Reinkulturen durchgeführten Untersuchungen verdeutlichen die Vielschichtigkeit der bakteriellen Anpassungsmöglichkeiten und bilden die Grundlage für weitere Untersuchungen und das Verständnis der Vorgänge in komplexeren Systemen wie in technischen MBR-Anlagen zur Abwasserreinigung.
Link zur Publikation Download Bibtex Eintrag

Navigation

Direktzugang

Schnellnavigation zur Seite über Nummerneingabe