Im Rahmen der Arbeit wurden Gesteinsproben von unterschiedlichen Höhenstufen des Schrankogel untersucht. Die auf diesen Steinen lebenden Mikroorganismen wurden angereichert und extrahiert, es wurde die Keimzahl ausgezählt und die Diversität der angereicherten Extraktionslösung mittels denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) in Abhängigkeit von der Höhenstufe bestimmt. In einem speziell entwickelten Nährmedium, welches einem möglichst breiten Spektrum der vorkommenden Mikroorganismen als Wachstumsgrundlage dienen soll, wurden ausgehend von den Gesteinsproben Mischkulturen angereichert und aerob kultiviert. An aeroben Mischkulturen und Reinkulturen die von den CFU Platten isoliert wurden, wurde mittels High-performance liquid chromatography (HPLC) das Spektrum ausgeschiedener organischer Säuren untersucht um laugungsaktive
Mikroorganismen zu erkennen. Von denselben Kulturen wurden darüber hinaus fatty acid methyl ester (FAME) Analysen durchgeführt, um über Marker Fettsäuren Rückschlüsse auf
die vorkommenden Gattungen oder Großgruppen ziehen zu können. Die von HPLC und FAME Analyse erhaltenen Daten wurden anschließend statistisch ausgewertet um Ähnlichkeiten zwischen den Mischkulturen der Höhenstufen untereinander sowie innerhalb der Reinkulturen zu erkennen. Das Wachstum der Reinkulturen wurde photometrisch beurteilt und die Wirkung unterschiedlicher Temperaturen und Nährmedienkonzentrationen auf die gewonnenen Reinkulturen wurde untersucht. Zur genaueren Artbestimmung wurden ausgewählte Reinkulturen einer PCR unterzogen, die erhaltene DNA aufgereinigt, sequenziert und die Sequenz über das „Basic Local Alignment Search Tool“ einer Art zugeordnet. In den Mischkulturen konnte anhand Fettsäuremarker für Gram positive und Gram negative Bakterien ein deutlicher Wechsel der mikrobiellen Gemeinschaft im Höhenverlauf festgestellt werden und bei der Untersuchung der Wirkung unterschiedlicher Nährmedienkonzentrationen zeichnete sich die Tendenz der Zunahme von R-Strategen mit der Höhe ab. In den Mischkulturen aller Höhenstufen konnten Fettsäuremarker für Pseudomonaden nachgewiesen werden, was auf ein ubiquitäres Vorkommen von Pseudomonaden auf den Schrankogel Steinen schließen lässt. Die DGGE Analyse zeigte bei ca. 3000 m einen Wechsel der bakteriellen Gemeinschaften. Die Mehrheit der isolierten
Reinkulturen zeigte bei 10° C ein stärkeres Wachstum als bei 20° C was auf einen hohen Anteil psychrophiler und psychrotoleranter Mikroorganismen hinweist.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Vorkommen von Mikroorganismen im Hochgebirge
1.1.1 Bacteria
1.1.2 Archaea
1.2 Bedeutung der Mikroorganismen für die Bodenbildung
1.2.1 Gesteinsverwitterung
1.2.2 Laugung
2 Zielsetzung
3 Material und Methoden
3.1 Standort und Probennahme
3.1.1 Schrankogel
3.1.2 Probennahme
3.1.3 Probenvorbereitung und Biofilmbildung
3.2 Versuchsdesign
3.2.1 Überblick des Gesamtkonzepts
3.2.2 Untersuchungen an der Extraktionslösung
3.2.3 Untersuchungen von anaeroben Mischkulturen
3.2.4 Untersuchungen an aeroben Mischkulturen
3.2.5 Untersuchungen an aeroben Reinkulturen
3.3 Analytik
3.3.1 Chemische Parameter
3.3.1.1 pH Wert
3.3.1.2 High Performance Liquid Chromatography
3.3.1.3 Fatty Acid Methyl Ester Analysis
3.3.2 Mikrobiologische Methodik
3.3.2.1 Aerobe cfu-Bestimmung
3.3.2.2 Optische Dichte 600 nm
3.3.3 Molekular Biologische Methodik
3.3.3.1 DNA Extraktion
3.3.3.2 Polymerase Chain Reaction
3.3.3.3 Denaturing Gradient Gel Electrophoresis
3.3.3.4 Sequenzierung
3.4 Statistik
4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Untersuchungen der Extraktionslösung
4.1.1 Aerobe Keimzahlbestimmung der Steine
4.1.2 DGGE der Extraktionslösung
4.2 Untersuchungen von anaeroben Mischkulturen
4.2.1 Methanmessung im Headspace der anaeroben Mischkulturen
4.3 Untersuchungen von aeroben Mischkulturen
4.3.1 pH-Wert in aeroben Mischkulturen
4.3.2 Konzentrationen organischer Säuren in aeroben Mischkulturen
4.3.3 Konzentrationen von Fettsäuren in aeroben Mischkulturen
4.4 Untersuchungen an aeroben Reinkulturen
4.4.1 Phänotypische Unterscheidung der Reinkulturen
4.4.2 pH-Wert von aeroben Reinkulturen
4.4.3 Mikrobielles Wachstum von aeroben Reinkulturen
4.4.4 Konzentrationen organischer Säuren in aeroben Reinkulturen
4.4.5 Konzentrationen von Fettsäuren in aeroben Reinkulturen
4.4.6 Auswirkungen unterschiedlicher Temperaturen auf aerobe Reinkulturen
4.4.7 Auswirkung unterschiedlicher Nährmedien Konzentrationen auf aerobe Reinkulturen
4.4.8 Ergebnisse der Sequenzierung der PCR Produkte
5 Synopsis und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht den Einfluss der Meereshöhe auf die lithobiontische Mikroflora von Gesteinsproben des Schrankogels unter Verwendung von Kultivierungsmethoden, chemischer Analytik (FAME, HPLC) und molekularbiologischen Verfahren (DGGE), um Hinweise auf Bodenbildungsprozesse aus mineralischem Ausgangsgestein zu gewinnen.
- Analyse der mikrobiellen Besiedlung in Abhängigkeit von der Höhenstufe
- Untersuchung laugungsaktiver Mikroorganismen durch HPLC und FAME-Analysen
- Einfluss von Temperatur und Nährmedienkonzentration auf aerobe Reinkulturen
- Molekularbiologische Identifizierung ausgewählter Reinkulturen mittels PCR und Sequenzierung
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung
Mikroorganismen sind im Verlauf der Pedogenese die ersten Lebewesen, die Gesteinsmaterial besiedeln und zu biologischen Verwitterungsprozessen führen. Damit schaffen sie die Grundlage für die weitere Besiedelung durch höhere und anspruchsvollere Organismen. Die biologische Verwitterung durch Mikroorganismen stellt damit einen wichtigen Schritt der Bodenbildung dar. Mit steigender Höhe sinkt im Allgemeinen die Luftfeuchtigkeit (Schuh 1989), die UV Strahlung wird intensiver (Drexel 1981) und die Durchschnitts-temperatur sinkt (Hann 1870). Dadurch sind Böden in höheren Lagen kürzere Zeit eisfrei und durch die kältebedingte Verlangsamung biologischer Vorgänge noch weniger weit entwickelt als tiefer gelegene gleich alte Böden.
Womöglich lässt sich auch ähnlich dem „space for time substitution“ Konzepts (Pickett 1989) das für Gletscher Vorfelder gilt, die Sukzession der Mikrobiota im Laufe der Pedogenese anhand des Höhenverlaufes untersuchen. Der Einfluss der Meereshöhe und der damit verbundenen Umweltfaktoren auf die Mikrobiota wurde bereits mehrfach untersucht, wobei es zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen kam, sodass diese noch nicht als vollends verstanden gelten kann. Während Margesin et al. (2008) und Byrant et al. (2008) einen signifikanten Höhentrend feststellen konnten, kamen Wang et al. (2013) zu dem Ergebnis dass der Einfluss der Höhe nur minimal ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beschreibt die Rolle von Mikroorganismen bei der Pedogenese und diskutiert den aktuellen Forschungsstand zum Einfluss der Meereshöhe auf mikrobielle Gemeinschaften im Hochgebirge.
2 Zielsetzung: Ziel ist die Untersuchung des Höheneinflusses auf die Zusammensetzung der lithobiontischen Mikroflora auf Gesteinsproben des Schrankogels mittels kulturtechnischer, chemischer und molekularbiologischer Methoden.
3 Material und Methoden: Dieser Abschnitt erläutert die Probennahme am Schrankogel, die Kultivierung von Misch- und Reinkulturen sowie die angewandten analytischen Verfahren wie HPLC, FAME-Analyse, DGGE und PCR.
4 Ergebnisse und Diskussion: Hier werden die Keimzahlbestimmungen, DGGE-Profile, Methanmessungen, Analysen organischer Säuren und Fettsäuren sowie das Wachstum der Reinkulturen detailliert dargestellt und im Kontext der Höhengradienten interpretiert.
5 Synopsis und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung der verwendeten Methoden und Diskussion der Ergebnisse hinsichtlich des mikrobiellen Höhentrends sowie Ansätze für weiterführende Studien.
Schlüsselwörter
Mikrobiologie, Schrankogel, Hochgebirge, lithobiontische Mikroflora, Gesteinsverwitterung, Pedogenese, DGGE, HPLC, FAME-Analyse, aerobe Kulturen, anaerobe Kulturen, Pseudomonaden, Fettsäuremarker, Bodenbildung, bakterielle Diversität.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Masterarbeit befasst sich mit der Untersuchung der lithobiontischen Mikroflora auf Gesteinsproben entlang eines Höhengradienten am Schrankogel in den Ötztaler Alpen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Zentrale Themen sind die mikrobielle Besiedelung von Gesteinen im Hochgebirge, Prozesse der biologischen Gesteinsverwitterung (Laugung) und die Frage, wie sich mikrobielle Gemeinschaften mit der Höhe verändern.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel besteht darin zu klären, ob ein signifikanter Einfluss der Seehöhe auf die Zusammensetzung und Beschaffenheit der Mikroflora nachweisbar ist und welche Rolle diese Mikroorganismen bei der initialen Bodenbildung spielen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Die Studie nutzt einen methodischen Mix aus Kultivierungstechniken, chemischer Analytik (HPLC für organische Säuren, FAME-Analyse für Fettsäuremuster) und molekularbiologischen Methoden (DGGE zur Diversitätsanalyse sowie PCR und Sequenzierung zur Artidentifizierung).
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil dokumentiert die detaillierten Ergebnisse der Extraktionsversuche, der aeroben und anaeroben Kultivierungen sowie die statistische Auswertung der molekularbiologischen und chemischen Daten im Hinblick auf den Höhenverlauf.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Fachbegriffe sind Pedogenese, lithobiontische Mikroorganismen, FAME-Analyse, HPLC, DGGE, Höhengradient, Schrankogel und Gesteinsverwitterung.
Welche Bedeutung haben die untersuchten Pseudomonaden?
Pseudomonaden wurden in den Mischkulturen aller Höhenstufen nachgewiesen, was auf ein ubiquitäres Vorkommen dieser Bakteriengruppe auf den Gesteinen des Schrankogels hindeutet.
Gab es einen signifikanten Trend bezüglich der Meereshöhe?
Keine der direkt gemessenen Größen zeigte einen durchgängigen, signifikanten Höhentrend, jedoch konnten in den Mischkulturen und durch DGGE-Analysen deutliche Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschaft im Höhenverlauf beobachtet werden.
- Quote paper
- Harald Bechtold (Author), 2014, Einfluss der Meereshöhe auf die lithobiontische Mikrobiota in der alpinen und nivalen Höhenstufe am Beispiel des Schrankogel, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/288458
