Autotrophe Bakterien in Grundwassersystemen

Der Großteil biogeochemischer Prozesse in Grundwassersystemen wird von heterotrophen Bakterien katalysiert, so die gängige Lehrmeinung. Andererseits sind unterirdische Lebensräume oft arm an organisch gebundener Energie bzw. mit organischen Kohlenstoffquellen verschmutzt, die für Mikroorganismen unter den aktuellen Umweltbedingungen nicht verfügbar sind. Chemolithoautotrophe Bakterien können Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid nutzen und sind daher an das Leben in carbo-oligotrophen Grundwassersystemen adaptiert, wobei über die Verbreitung und Zusammensetzung dieser Organismengruppe im Grundwasser kaum Untersuchungen vorliegen. Die Fixierung des Kohlendioxids in den meisten chemolithoautotrophen Bakterien erfolgt über den Calvin-Benson-Zyklus, mit der Ribulose-1,5-Bisphosphat Carboxylase/Oxygenase (RubisCO) als Schlüsselenzym für diesen Prozess. Das RubisCO-Molekül ist aber auch ein ausgezeichneter phylogenetischer Marker für autotrophe Organismen, daher sollen im geplanten Projekt RubisCO-Gene aus unterschiedlichsten Grundwassersystemen extrahiert und analysiert werden. Zunächst soll die genetische Variabilität der großen Untereinheit von RubisCO-kodierenden Genen durch vergleichende Sequenzanalysen erfasst werden, wobei in diesem Zusammenhang auch die Unterschiede zwischen oberflächen-assoziierten und frei im Porengrundwasser lebenden mikrobiellen Gemeinschaften beleuchtet werden sollen. Um den Nachweis zu erbringen, welche chemolithoautotrophen Mikroorganismen das genetische Potential zur Kohlendioxid-Fixierung auch tatsächlich nutzen, also unter den aktuellen Bedingungen im Grundwasser aktiv sind, soll die Geneexpression mittels Analyse spezifischer RubisCO-Messenger-RNA`s detektiert und mit Hilfe der Real-Time RT-PCR quantifiziert werden. In einem weiteren Schritt sollen die neu gewonnenen Sequenzinformationen dazu genutzt werden hochspezifische Marker zu entwickeln, die in Folge für die Analyse von indviduellen RubisCO-kodierenden Genen genutzt werden können. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das phyologenetische Spektrum, die Verteilung und die Aktivität autotropher Mikroorganismen in Grundwassersystemen zu erfassen, um diese Erkenntnisse mit geochemischen Prozessen im Grundwasser in Verbindung zu bringen.

Der Großteil biogeochemischer Prozesse in Grundwassersystemen wird von heterotrophen Bakterien katalysiert, so die gängige Lehrmeinung. Andererseits sind unterirdische Lebensräume oft arm an organisch gebundener Energie bzw. mit organischen Kohlenstoffquellen verschmutzt, die für Mikroorganismen unter den aktuellen Umweltbedingungen nicht verfügbar sind. Chemolithoautotrophe Bakterien können Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid nutzen und sind daher an das Leben in carbo-oligotrophen Grundwassersystemen adaptiert, wobei über die Verbreitung und Zusammensetzung dieser Organismengruppe im Grundwasser kaum Untersuchungen vorliegen. Die Fixierung des Kohlendioxids in den meisten chemolithoautotrophen Bakterien erfolgt über den Calvin-Benson-Zyklus, mit der Ribulose-1,5-Bisphosphat Carboxylase/Oxygenase (RubisCO) als Schlüsselenzym für diesen Prozess. Das RubisCO-Molekül ist aber auch ein ausgezeichneter phylogenetischer Marker für autotrophe Organismen, daher sollen im geplanten Projekt RubisCO-Gene aus unterschiedlichsten Grundwassersystemen extrahiert und analysiert werden. Zunächst soll die genetische Variabilität der großen Untereinheit von RubisCO-kodierenden Genen durch vergleichende Sequenzanalysen erfasst werden, wobei in diesem Zusammenhang auch die Unterschiede zwischen oberflächen-assoziierten und frei im Porengrundwasser lebenden mikrobiellen Gemeinschaften beleuchtet werden sollen. Um den Nachweis zu erbringen, welche chemolithoautotrophen Mikroorganismen das genetische Potential zur Kohlendioxid-Fixierung auch tatsächlich nutzen, also unter den aktuellen Bedingungen im Grundwasser aktiv sind, soll die Geneexpression mittels Analyse spezifischer RubisCO-Messenger-RNA`s detektiert und mit Hilfe der Real-Time RT-PCR quantifiziert werden. In einem weiteren Schritt sollen die neu gewonnenen Sequenzinformationen dazu genutzt werden hochspezifische Marker zu entwickeln, die in Folge für die Analyse von indviduellen RubisCO-kodierenden Genen genutzt werden können. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das phyologenetische Spektrum, die Verteilung und die Aktivität autotropher Mikroorganismen in Grundwassersystemen zu erfassen, um diese Erkenntnisse mit geochemischen Prozessen im Grundwasser in Verbindung zu bringen.