Im Rahmen des BioPara Netzwerkes: „Gesamterfassung von biochemischen und metagenomischen Parametern in Biogasanlagen und deren Korrelation zur Produkteffizienz“ erfolgte die in dieser Arbeit durchgeführte Isolierung und Charakterisierung von prozessrelevanten methanogenen Archaeen aus frischen Schlammproben einer kommerziellen Biogasanlage. Insgesamt wurden sechs verschiedene Arten der Gattungen Methanobacterium, Methanoculleus sowie Methanosarcina isoliert und als Reinkultur kultiviert. Darunter wurden mit Methanobacterium aggregans und Methanosarcina flavescens bis dahin unbekannte Spezies identifiziert und umfassend charakterisiert. Außerdem erfolgte mit Methanoculleus bourgensis und M. flavescens die Anreicherung der beiden abundantesten methanoarchaealen Mikroorganismen des beprobten Biogasreaktors. Weiterführend wurde ein anaerobes Testsystem etabliert, um die Methanproduktivität der analysierten Biogasanlagen im Labormaßstab abzubilden. Mit diesem Testsystem wurden die hydrogenotrophen und methylotrophen Wege der Methanogenese als potentiell raten-limitierende Schritte des Biogasprozesses in NawaRo-Anlagen analysiert. Die hydrogenotrophe Methanogenese verlief in allen beprobten Biogasreaktoren nicht an der maximalen Kapazitätsgrenze und stellte daher keinen raten-limitierenden Schritt dar. Weiterführend wurde die methylotrophe Methanogenese bei hohen Methanosarcina-Abundanzen als nicht-ratenlimitierender Prozess identifiziert und durch die Zugabe von Isolat E03.2 zu inaktivierten Schlammproben der untersuchten Biogasanlagen, ergaben sich Hinweise auf die Anwesenheit von Methoxygruppen. Aufgrund der fundamentalen Bedeutung des Wasserstoff-Stoffwechsels in NawaRo-Biogasanlagen, wurden u.a. Wasserstoff-abhängige Gesamt- sowie methanoarchaeale Enzymreaktionen aus frischen Schlammproben quantifiziert und als mögliche Parameter zur Prozessüberwachung analysiert. Dabei konnte eine positive Korrelation der Gesamt-Hydrogenaseaktivität mit der Methanproduktivität in den untersuchten Biogasanlagen gezeigt werden. Die Gesamt-Hydrogenaseaktivität ist somit einen aussagekräftiger Parameter zur Prozesskontrolle.

Im Rahmen des BioPara Netzwerkes: „Gesamterfassung von biochemischen und metagenomischen Parametern in Biogasanlagen und deren Korrelation zur Produkteffizienz“ erfolgte die in dieser Arbeit durchgeführte Isolierung und Charakterisierung von prozessrelevanten methanogenen Archaeen aus frischen Schlammproben einer kommerziellen Biogasanlage. Insgesamt wurden sechs verschiedene Arten der Gattungen Methanobacterium, Methanoculleus sowie Methanosarcina isoliert und als Reinkultur kultiviert. Darunter wurden mit Methanobacterium aggregans und Methanosarcina flavescens bis dahin unbekannte Spezies identifiziert und umfassend charakterisiert. Außerdem erfolgte mit Methanoculleus bourgensis und M. flavescens die Anreicherung der beiden abundantesten methanoarchaealen Mikroorganismen des beprobten Biogasreaktors. Weiterführend wurde ein anaerobes Testsystem etabliert, um die Methanproduktivität der analysierten Biogasanlagen im Labormaßstab abzubilden. Mit diesem Testsystem wurden die hydrogenotrophen und methylotrophen Wege der Methanogenese als potentiell raten-limitierende Schritte des Biogasprozesses in NawaRo-Anlagen analysiert. Die hydrogenotrophe Methanogenese verlief in allen beprobten Biogasreaktoren nicht an der maximalen Kapazitätsgrenze und stellte daher keinen raten-limitierenden Schritt dar. Weiterführend wurde die methylotrophe Methanogenese bei hohen Methanosarcina-Abundanzen als nicht-ratenlimitierender Prozess identifiziert und durch die Zugabe von Isolat E03.2 zu inaktivierten Schlammproben der untersuchten Biogasanlagen, ergaben sich Hinweise auf die Anwesenheit von Methoxygruppen. Aufgrund der fundamentalen Bedeutung des Wasserstoff-Stoffwechsels in NawaRo-Biogasanlagen, wurden u.a. Wasserstoff-abhängige Gesamt- sowie methanoarchaeale Enzymreaktionen aus frischen Schlammproben quantifiziert und als mögliche Parameter zur Prozessüberwachung analysiert. Dabei konnte eine positive Korrelation der Gesamt-Hydrogenaseaktivität mit der Methanproduktivität in den untersuchten Biogasanlagen gezeigt werden. Die Gesamt-Hydrogenaseaktivität ist somit einen aussagekräftiger Parameter zur Prozesskontrolle.

Mars is one of the best candidates among planetary bodies for supporting life. The presence of water in the form of ice and atmospheric vapour together with the availability of biogenic elements and energy are indicators of the possibility of hosting life as we know it. The occurrence of permanently frozen ground – permafrost, is a common phenomenon on Mars and it shows multiple morphological analogies with terrestrial permafrost. Despite the extreme inhospitable conditions, highly diverse microbial communities inhabit terrestrial permafrost in large numbers. Among these are methanogenic archaea, which are anaerobic chemotrophic microorganisms that meet many of the metabolic and physiological requirements for survival on the martian subsurface. Moreover, methanogens from Siberian permafrost are extremely resistant against different types of physiological stresses as well as simulated martian thermo-physical and subsurface conditions, making them promising model organisms for potential life on Mars. The main aims of this investigation are to assess the survival of methanogenic archaea under Mars conditions, focusing on methanogens from Siberian permafrost, and to characterize their biosignatures by means of Raman spectroscopy, a powerful technology for microbial identification that will be used in the ExoMars mission. For this purpose, methanogens from Siberian permafrost and non-permafrost habitats were subjected to simulated martian desiccation by exposure to an ultra-low subfreezing temperature (-80ºC) and to Mars regolith (S-MRS and P-MRS) and atmospheric analogues. They were also exposed to different concentrations of perchlorate, a strong oxidant found in martian soils. Moreover, the biosignatures of methanogens were characterized at the single-cell level using confocal Raman microspectroscopy (CRM). The results showed survival and methane production in all methanogenic strains under simulated martian desiccation. After exposure to subfreezing temperatures, Siberian permafrost strains had a faster metabolic recovery, whereas the membranes of non-permafrost methanogens remained intact to a greater extent. The strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 from Siberian permafrost showed significantly higher methane production rates than all other strains after the exposure to martian soil and atmospheric analogues, and all strains survived the presence of perchlorate at the concentration on Mars. Furthermore, CRM analyses revealed remarkable differences in the overall chemical composition of permafrost and non-permafrost strains of methanogens, regardless of their phylogenetic relationship. The convergence of the chemical composition in non-sister permafrost strains may be the consequence of adaptations to the environment, and could explain their greater resistance compared to the non-permafrost strains. As part of this study, Raman spectroscopy was evaluated as an analytical technique for remote detection of methanogens embedded in a mineral matrix. This thesis contributes to the understanding of the survival limits of methanogenic archaea under simulated martian conditions to further assess the hypothetical existence of life similar to methanogens on the martian subsurface. In addition, the overall chemical composition of methanogens was characterized for the first time by means of confocal Raman microspectroscopy, with potential implications for astrobiological research. / Der Mars ist unter allen Planeten derjenige, der aufgrund verschiedener Faktoren am wahrscheinlichsten Leben ermöglichen kann. Das Vorhandensein von Wasser in Form von Eis und atmosphärischem Dampf zusammen mit der Verfügbarkeit biogener Elemente sowie Energie sind Indikatoren für die Möglichkeit, Leben, wie wir es kennen, zu beherbergen. Das Auftreten von dauerhaft gefrorenen Böden, oder auch Permafrost, ist ein verbreitetes Phänomen auf dem Mars. Dabei zeigen sich vielfältige morphologische Analogien zum terrestrischen Permafrost. Permafrostgebiete auf der Erde, welche trotz extremer, Bedingungen durch eine große Zahl und Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften besiedelt sind, sind hinsichtlich möglicher Habitate auf dem Mars die vielversprechendste Analogie. Die meisten methanogenen Archaeen sind anaerobe, chemolithotrophe Mikroorganismen, die auf der Marsoberfläche viele der metabolischen und physiologischen Erfordernisse zum Überleben vorfinden. Methanogene Archaeen aus dem sibirischen Permafrost sind zudem extrem resistent gegenüber unterschiedlichen Formen von physiologischem Stress sowie simulierten thermo-physikalischen Marsbedingungen. Die Hauptziele dieser Untersuchung bestehen darin, das Überleben der methanogenen Archaeen unter Marsbedingungen zu beurteilen, wobei der Fokus auf methanogenen Archaeen aus dem sibirischen Permafrost liegt, sowie deren Biosignaturen mit Hilfe der Raman-Spektroskopie zu charakterisieren, einer starken Technologie zur mikrobiellen Identifikation, welche bei der ExoMars-Mission zum Einsatz kommen wird. Zu diesem Zweck wurden methanogene Archaeen aus dem sibirischen Permafrost sowie aus Nicht-Permafrost-Habitaten in Simulationen Marsbedingungen ausgesetzt, wie Austrocknung durch Langzeitversuche bei ultraniedrigen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (-80ºC), Mars-analogen Mineralien (S-MRS und P-MRS) sowie einer Marsatmosphäre. Weiterhin wurden die Kulturen verschiedenen Konzentrationen von Magnesiumperchlorat, einem starken Oxidant, der im Marsboden nachgewiesenen wurde, ausgesetzt. Ferner wurden die Biosignaturen einzelner Zellen der methanogenen Archaeen mit Hilfe der konfokalen Raman-Mikrospektroskopie (CRM) charakterisiert. Die Ergebnisse zeigten für alle untersuchten methanogenen Stämme Überleben und Methanbildung, nachdem diese simulierten Austrocknungsbedingungen ausgesetzt worden waren. Nach Versuchen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zeigten die Stämme aus dem sibirischen Permafrost eine schnellere Wiederaufnahme der Stoffwechseltätigkeit, wohingegen bei den Referenzorganismen aus Nicht-Permafrost-Habitaten die Zell¬membranen im größeren Ausmaß intakt blieben. Der Stamm Methanosarcina soligelidi SMA-21 aus dem sibirischen Permafrost zeigte nach dem Belastungstest mit Marsboden und Mars-analoger Atmosphäre signifikant höhere Methanbildungsraten. Zudem überlebten alle untersuchten Stämme die Zugabe von Magnesiumperchlorat in der entsprechenden Konzentration, die auf dem Mars vorkommt. Weiterhin konnten durch die Raman-Spektroskopie beachtliche Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung zwischen methanogenen Archaeen aus Permafrost- und Nicht-Permafrost-Habitaten, trotz ihrer phylogenetischen Verwandtschaft, ermittelt werden. Die Konvergenz der chemischen Zusammensetzung der Permafrost-Stämme könnte das Resultat ihrer Anpassung an die Umgebung sein, was auch die Unterschiede hinsichtlich ihrer Resistenz verglichen mit Nicht-Permafrost-Stämmen erklären könnte. Als Teil dieser Studie wurde die Raman-Spektroskopie als Analyse-Technik zur Ferndetektion von methanogenen Archaeen, welche in eine Mineral-Matrix eingebettet sind, evaluiert. Diese Dissertation trägt zu einem besseren Verständnis hinsichtlich der Grenzen für ein Überleben von methanogenen Archaeen unter simulierten Marsbedingungen bei und damit zu einer Beurteilung der Hypothese, ob es ähnliches Leben unter der Marsoberfläche geben könnte. Darüber hinaus wurde erstmalig die chemische Zusammensetzung von methanogenen Archaeen mit Hilfe der Raman-Mikrospektroskopie charakterisiert. Dieser Technologie kommt eine wesentliche Bedeutung für weitere Forschungstätigkeit in der Astrobiologie zu.