The WBC-2 consortium was characterized using quantitative PCR and analytical techniques to associate growth of dechlorinating bacteria to each step of the 1,1,2,2-Tetrachloroethane (TeCA) degradation pathway. The consortium was found to degrade TeCA through dichloroelimination to trans-1,2-dichloroethene (tDCE), and reductive dehalogenation to Vinyl Chloride (VC) and ethene. Thus the pathway was hypothesized to provide three distinct niches for three genera of dechlorinating bacteria, Dehalobacter, Dehalogenimonas and Dehalococcoides. Using qPCR to track growth over two time course experiments at different inoculum dilutions, the Dehalobacter species showed significant growth on the first step of TeCA dihaloelimination to tDCE Dehalococcoides and Dehalogenimonas species grew on the dechlorination products. The Dehalogenimonas species, a novel non-Dehalococcoides, was found to grow only on tDCE. The Dehalococcoides species also grew on cDCE, less well on tDCE, and on VC.

The WBC-2 consortium was characterized using quantitative PCR and analytical techniques to associate growth of dechlorinating bacteria to each step of the 1,1,2,2-Tetrachloroethane (TeCA) degradation pathway. The consortium was found to degrade TeCA through dichloroelimination to trans-1,2-dichloroethene (tDCE), and reductive dehalogenation to Vinyl Chloride (VC) and ethene. Thus the pathway was hypothesized to provide three distinct niches for three genera of dechlorinating bacteria, Dehalobacter, Dehalogenimonas and Dehalococcoides. Using qPCR to track growth over two time course experiments at different inoculum dilutions, the Dehalobacter species showed significant growth on the first step of TeCA dihaloelimination to tDCE Dehalococcoides and Dehalogenimonas species grew on the dechlorination products. The Dehalogenimonas species, a novel non-Dehalococcoides, was found to grow only on tDCE. The Dehalococcoides species also grew on cDCE, less well on tDCE, and on VC.

Die toxische sowie kanzerogene Verbindung 1,2-Dichlorpropan (DCP) ist weit verbreitet in Industrie und Landwirtschaft. Die Verbindung zeigt eine geringe chemische Reaktivität, ist nur mäßig wasserlöslich und unter aeroben Bedingungen weitestgehend beständig gegenüber mikrobiellen Abbauprozessen in der Umwelt. Als Folge reichert sich DCP in Grundwässern, Sedimenten und Böden an und gefährdet über die Nahrungskette die Gesundheit von Mensch und Tier. Um DCP effizient und ökonomisch zu unbedenklichen Verbindungen abzubauen, wurden mikrobielle Mischkulturen aus belasteten Sedimenten angereichert und in einen Wirbelschichtreaktor überführt. Dieses Verfahren ermöglichte eine kontinuierliche anaerobe Dechlorierung von DCP zu Propen. Grundsätzlich stellen biologische Abbauverfahren, bei denen komplexe mikrobielle Mischpopulationen eingesetzt werden, einen vielversprechenden Weg zur Transformation chlororganischer Verbindungen dar. Jedoch liegen üblicherweise nur wenige Informationen über die Zusammensetzung der betreffenden Populationen vor, so daß eine Optimierung bzw. effiziente Steuerung des Prozesses erheblich erschwert wird. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Bestimmung der mikrobiellen Zusammensetzung der DCP-dechlorierenden Bioreaktorpopulation. Aufgrund der bekannten Limitierungen klassisch-mikrobiologischer Nachweisverfahren wurde eine Kombination mehrerer molekulargenetischer Methoden eingesetzt, die auf der vergleichenden Sequenzanalyse ribosomaler RNA beruhten. Die Untersuchungen zeigten, daß die Bakterienpopulation des Reaktors außerordentlich divers zusammengesetzt war und im wesentlichen aus bislang nicht-kultivierten Arten bestand. Es dominierten "Grüne nicht-schwefelhaltige Bakterien" (green nonsulfur bacteria) sowie Grampositive Bakterien mit niedrigem GC-Gehalt. Die Archaea hingegen waren fast ausschließlich durch zwei bekannte methanogene Spezies vertreten, Methanosaeta concilii sowie Methanomethylovorans hollandica. Der Vergleich der gewonnenen rDNA-Daten mit denen anderer Lebensräume ergab, daß Süßwasserhabitate, in denen chlororganische Verbindungen reduktiv umgesetzt werden, offenbar eine spezifische Populationsstruktur aufweisen. Es konnten spezifische 16S rDNA-Gruppen definiert werden (SHA-Cluster), die auch nach längerem Reaktorbetrieb noch nachgewiesen werden konnten. Darüber hinaus wurden Dehalobacter restrictus- sowie Dehalococcoides ethenogenes-ähnliche Bakterien in der DCP-dechlorierenden Bioreaktorpopulation gefunden. Beide Spezies sind in der Lage, chlororganische Verbindungen unter Verwendung von Wasserstoff als alleinigem Elektronendonor reduktiv zu dechlorieren. Es ist davon auszugehen, daß Dehalobacter und Dehalococcoides spp. aufgrund ihrer Physiologie an der reduktiven Umsetzung des DCPs beteiligt sind. Die Untersuchung der Population über einen längeren Zeitraum zeigte überdies, daß Bakterien der Gattung Dehalobacter überproportional angereichert und daraufhin zur dominierenden Spezies im Reaktor wurden. Dieser Befund läßt auf eine zentrale Rolle von Dehalobacter spp. bei der Transformation von DCP zu Propen schließen. Konsequenterweise führte die Zugabe von Wasserstoff zum Reaktor zur einer deutlichen Steigerung des DCP-Umsatzes. Dehalobacter und Dehalococcoides spp. sowie die anderen durch SHA-Cluster repräsentierten Bakterien stellen potentielle Indikatororganismen für die DCP-Transformation im Reaktor dar. Ein kontinuierliches Monitoring dieser Bakterien würde zu einer effizienteren Steuerung des Dechlorierungsprozesses und damit zu einer Optimierung des Verfahrens führen. / The toxic and carcinogenic compound 1,2-dichloropropane (DCP) is widely used in industry and agriculture. DCP shows a low chemical reactivity. It is only moderately soluble in aqueous systems and almost recalcitrant to microbial degradation under aerobic conditions. As a consequence DCP accumulates in groundwater, sediments and soil, thus endangering humans and animals via the food chain. To efficiently transform DCP to harmless organic compounds microbial mixed cultures have been enriched from sediments and were subsequently transferred into a fluidized bed bioreactor. This process allowed a continuous anaerobic dechlorination of DCP to propene. Bioreactor processes using complex microbiota represent a promising technology for transformation of chlorinated compounds. However, the composition of the used population is usually unknown, hence hindering both optimization and control of the degradation process. Subject of this work was the analysis of the microbial diversity of the DCP-dechlorinating bioreactor population. Conventional culture-dependent microbiological methods are often limited if used for the analysis of complex communities. Therefore, a combination of different molecular methods based on comparative 16S rRNA analysis was applied. It was found that the bioreactor population was highly diverse and consisted mainly of as yet-uncultured bacteria. Members of the green nonsulfur bacteria and the gram-positive bacteria with low G+C content dominated the consortium. In contrast the archaea were represented by only two species, Methanosaeta concilii and Methanomethylovorans hollandica. The comparison of the rDNA data with those of other biotopes revealed that reductively dechlorinating freshwater habitats show a specific community structure. 16S rDNA-clusters were defined, which could still be detected after a longer operation time of the bioreactor. Furthermore, Dehalobacter restrictus- and Dehalococcoides ethenogenes-like bacteria were found in the DCP-dechlorinating bioreactor population. Both species are capable of reductive dechlorination using hydrogen as the sole electron source. Therefore, it could be assumed that these bacteria were also involved in the dechlorination of DCP. The investigation of the bioreactor population for a longer period of time revealed that Dehalobacter-like bacteria were significantly enriched and subsequently became the most frequently found bacterium within the bioreactor. This indicates a major role of Dehalobacter spp. within the transformation process of DCP to propene. Consequently, the addition of hydrogen to the bioreactor led to an increase of the DCP transformation rate. Dehalobacter und Dehalococcoides spp. as well as the bacteria represented by the specific SHA-clusters are possibly suitable as indicator organisms for the transformation of DCP within the bioreactor. A continuous monitoring of these bacteria would lead to a more efficient control and hence, to an optimization of the transformation process.

Little is known about the enzyme-substrate interactions occurring during the dechlorination of chloroform (CF) and 1,1,1-trichloroethane (1,1,1-TCA) by the enrichment culture containing Dehalobacters, hereafter called DHB-CF/MEL. Compound specific isotope analysis (CSIA) is used to investigate the factors which may affect the isotope fractionation observed for CF and 1,1,1-TCA dechlorination. This thesis reports the first isotope enrichment factors observed for CF biodegradation at -27.5‰ ± 0.9‰, thus providing fundamental information for comparing isotope enrichment factors observed during trichlorinated alkane degradation by DHB-CF/MEL. The thesis also reports how the presence of CF and 1,1,1-TCA influences isotope fractionation and explores the possible influence of substrate inhibition on isotope fractionation during 1,1,1-TCA dechlorination. The data suggests that substrate inhibition during 1,1,1-TCA dechlorination by DHB-CF/MEL may not affect carbon isotope fractionation. The results suggest that CSIA is a promising monitoring tool even for the simultaneous biodegradation of CF and 1,1,1-TCA at different 1,1,1-TCA starting concentration.

Little is known about the enzyme-substrate interactions occurring during the dechlorination of chloroform (CF) and 1,1,1-trichloroethane (1,1,1-TCA) by the enrichment culture containing Dehalobacters, hereafter called DHB-CF/MEL. Compound specific isotope analysis (CSIA) is used to investigate the factors which may affect the isotope fractionation observed for CF and 1,1,1-TCA dechlorination. This thesis reports the first isotope enrichment factors observed for CF biodegradation at -27.5‰ ± 0.9‰, thus providing fundamental information for comparing isotope enrichment factors observed during trichlorinated alkane degradation by DHB-CF/MEL. The thesis also reports how the presence of CF and 1,1,1-TCA influences isotope fractionation and explores the possible influence of substrate inhibition on isotope fractionation during 1,1,1-TCA dechlorination. The data suggests that substrate inhibition during 1,1,1-TCA dechlorination by DHB-CF/MEL may not affect carbon isotope fractionation. The results suggest that CSIA is a promising monitoring tool even for the simultaneous biodegradation of CF and 1,1,1-TCA at different 1,1,1-TCA starting concentration.

Chlorbenzole sind aufgrund ihrer weiten Verbreitung in Industrie und Landwirtschaft und ihrer geringen chemischen Reaktivität sowie guten Fettlöslichkeit ubiquitäre Umweltkontaminanten, die sich in der Nahrungskette anreichern. Eine natürliche, mikrobielle Dechlorierung dieser Verbindungen ist von besonderem Interesse, da die Toxizität chlorierter Benzole mit der Anzahl der Chlorsubstituenten steigt. Im Gegensatz zu Mono- und Dichlorbenzol, die durch aerobe Laborreinkulturen dechlorierbar sind, werden höher chlorierte Benzole bevorzugt unter anaeroben Bedingungen in Mischkulturen mit unbekannter Spezieszusammensetzung dechloriert. Bioreaktoren, in denen solche undefinierten Mischkulturen kontinuierlich kultiviert werden, sind eine vielversprechende Technik bei der Behandlung Chlorbenzol-kontaminierter Abwässer. Aufgrund der unbekannten Zusammensetzung der Population muß die mikrobielle Aktivität jedoch als "black box" betrachtet werden, was eine direkte Steuerung und Optimierung solcher Bioreaktoren erschwert. Zur Bestimmung der mikrobiellen Diversität einer in ihrer Zusammensetzung unbekannten, Trichlorbenzol(TCB)-dechlorierenden Bioreaktorkultur wurde aufgrund der bekannten Limitierungen kulturabhängiger Methoden die kulturunabhängige, vergleichende Sequenzanalyse direkt amplifizierter und klonierter 16S-rDNA gewählt. Die durch eine neuentwickelte Hybridisierungsmethode wesentlich vereinfachte Analyse der 16S-rDNA-Genbibliotheken erlaubte eine phylogenetische Klassifizierung der in der TCB-dechlorierenden Mischkultur abundanten Mikroorganismen (Bakterien und Archaea) und zeigte das Auftreten von 51 bakteriellen 16S-rDNA-Klonfamilien, mit einem weiten phylogenetischen Spektrum und teilweise enge Verwandtschaften zu anaerob dechlorierenden Dehalobacter spp. oder zu unkultivierten Bakterien eines vergleichbaren Biotops. Dieser Diversität stand eine dominierende Methanosaeta-ähnliche Klonfamilie innerhalb der Archaea gegenüber. Die aus der phylogenetischen Klassifizierung abgeleiteten metabolischen Eigenschaften einiger Bakterien und Archaea der TCB-dechlorierenden Mischkultur konnten durch gezielte Anreicherung und in-vitro Kultivierung bzw. die kulturunabhängige Sequenzanalyse funktioneller Gene bestätigt werden. Die dargestellten Ergebnisse lassen eine spezifische Zusammensetzung der TCB-dechlorierenden Mischkultur vermuten und geben Hinweise auf Indikatororganismen, die ein Monitoring und eine damit verbundene Effizienzsteigerung der anaeroben TCB-Dechlorierung im Bioreaktor ermöglichen könnten. / Due to their widespread application in industry and agriculture and their chemical stability chlorobenzenes (CB) are ubiquitous pollutants in soil, sediments, and aquifers. Since toxicity of CBs increases with the number of chlorine substituents, microbial dechlorination of CBs is of major interest. In contrast to di- and monochlorobenzenes (DCB and MCB) higher chlorinated benzenes are more resistant to aerobic dechlorination. However, for these compounds reductive dechlorination by different anaerobic microbial communities is well known. Bioreactors inoculated with complex dechlorinating anaerobic microbiota seem to be promising technologies for bioremediation of CB-contaminated aquifers. Several studies showed the efficiency of such bioreactors in treating chloroaromatic contaminated wastewaters. However, due to the unknown species diversity microbial activity had to be treated as a "black box" and direct optimization was hampered. To determine the microbial diversity of an anaerobic consortium in a fluidized bed reactor used for dechlorination of trichlorobenzene (TCB) I employed comparative sequence analysis of 16S rRNA genes after direct PCR-amplification and cloning from community DNA since culture-based methods have shown to be strongly biased. The application of a new hybridization based screening approach for bacterial 16S rDNA clone libraries drastically simplified the analysis and allowed the phylogenetic classification of the abundant bacteria and archaea. A total of 51 bacterial 16S rDNA clone families were found, which showed a wide distribution among the main bacterial phyla. Several bacterial 16S rDNA clone families were closely related to anaerobic, dechlorinating Dehalobacter spp. and to yet-uncultured bacteria of a similar habitat. In contrast to the high bacterial diversity archaeal 16S rDNA clone libraries were clearly dominated by a Methanosaeta concilii-like clone family. Some yet-uncultured bacteria and archaea of the TCB-dechlorinating consortium were sufficiently closely related to studied organsims that reasonable physiological hypotheses could be formulated. These hypotheses were confirmed by either cultivation of the respective organism or by culture-independent sequence analysis of specific functional genes. The results suggest a specific community structure of the TCB-dechlorinating consortium and give evidence for indiator organisms. Moleculargenetic monitoring of these indicator organisms might allow the optimization of the continous TCB-dechlorination in the fluidized bed reactor.