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This work deals with the issue of microbiological degradation of food of animal origin depending on environmental conditions, which can inhibit or support the development of microorganisms. The work includes an overview of the most important microorganisms focusing on their metabolism and the principle of negative effects on food. The practical side of the thesis is based on laboratory experiments and sample analyzes of some of the most common representatives of food of animal origin – ham and hard cheese. Samples of these foods were stored in different environments and their microbiological contamination was subsequently determined. The results were processed into graphical and tabular outputs emphasizing the influence of the given environment on the level of food contamination.

Malzkeime sind ein Produkt der Malzherstellung und werden als Bestandteil von Mischfuttermitteln in der Tierfütterung eingesetzt. Sie sind prozessbedingt mit feldbürtigen Bakterien und Hefen hoch belastet und gelten als leicht verderbliches Problemfuttermittel. Umfassende mikrobiologische Untersuchungen erbrachten einen Überblick über die Qualität loser und pelletierter Malzkeimprodukte deutscher Mälzereien. 102 Malzkeimproben aus insgesamt 35 Mälzereien wurden über drei Erntejahre erfasst. Messwerte des aw-Wertes (Wert für frei verfügbares Wasser im Substrat) aller Proben lagen in einem Bereich, der Stoffwechselaktivitäten von Mikroorganismen und somit einen mikrobiologischen Verderb bei trockener Lagerung ausschließt. Bei feuchter Lagerung (im Versuch 80 Prozent relativer Luftfeuchte bei 18 °C) verderben die Produkte nach ca. vier Wochen durch eine massive Vermehrung von Verderb anzeigenden Schimmelpilzen. Der Zusatz von Malz- und Getreideabrieb zu den Malzkeimen hat keine negativen Auswirkungen auf deren mikrobiologische Qualität. Die Differenzierung der Hefeflora spiegelt die Vielfalt der Epiphyten des Ausgangsproduktes Gerste wider. Etwa 40 Prozent der identifizierten Hefespezies haben einen rein aeroben Stoffwechsel, sie sind im Verdauungstrakt von Wiederkäuern nicht lebensfähig. Das gesundheitliche Risiko für Rinder bei der Aufnahme auch größerer Mengen an Hefen aus Malzkeimen ist als gering einzustufen.

Am Rebstock werden in der Natur von Agrobacterium vitis, dem Auslöser Wurzelhalsgallenerkrankung, charakteristische Wurzelhalsgallentumore induziert. Virulente Vertreter der Gattung der Agrobacteria schleusen bakterielle DNA in das pflanzliche Genom ein, wodurch die Pflanze Tumore produziert. Die Wurzelhalsgallenerkrankung wird seit einem Jahrhundert als ein Beispiel der Pflanzen-Pathogen-Interaktion untersucht. Die Rolle der bakteriellen Flora im Zusammenhang mit der Wurzelhalsgallenerkrankung beim Rebstock wurde bisher kaum betrachtet. Um dieser Frage nachzugehen, habe ich die endophytische mikrobielle Zusammensetzung von Rebstöcken mit und ohne Wurzelhalsgalle analysiert. Es werden Proben von drei Zeitpunkten einer Wachstumsperiode (Frühling, Sommer und Herbst) und von den Organen der Rebstöcke (Wurzeln, Pfropfstelle und einjährige Triebe) sowie dem Boden in einer Weinanlage bei Himmelstadt in Unterfranken genommen. Die Bakterienflora dieser Umweltproben wird mit kultivierungsabhängigen (Isolierung von Bakterien) und kultivierungsunabhängigen (Hochdurchsatzsequenzierungen) Methoden untersucht. Zudem werden i) die Virulenz der verschiedenen Agrobacterium-Isolate in Tumorassays bestimmt, ii) synthetische Bakteriengemeinschaften von in vitro kultivierten Weinpflänzchen mit Wurzelhalsgallen analysiert, iii) die Genome von einem virulenten und einem nicht-virulenten Agrobacteria-Isolat aus der Wurzelhalsgalle verglichen, iv) erste Interaktionsstudien auf festen Nährmedien durchgeführt und v) virulente Agrobacteria mittels bildgebender Fluoreszenz-Lebenszeit-Mikroskopie (FLIM) in Wurzelhalsgallen lokalisiert. Die Rebstöcke dieser Studie haben eine organspezifische Bakterienflora, die innerhalb einer Wachstumsperiode variiert. Nur die Bakterienflora der Pfropfstelle (mit oder ohne Wurzelhalsgalle) aber nicht die des Bodens, der Wurzeln, und der einjährigen Triebe unterscheidet sich strukturell zwischen gesunden und erkrankten Rebstöcken. Mikroskopisch konnten virulente Agrobacteria punktuell in Interzellularen, sklerenchymatischen Geweben und assoziiert mit Leitgefäßen nachgewiesen werden. Dadurch ist ausreichend Lebensraum vorhanden, der zusätzlich von tumorspezifischen Bakterien besiedelt werden kann. Im Gegensatz zur gesunden Pfropfstelle ist in der Wurzelhalsgalle eine saisonal stabile Kernmikroflora, bestehend aus Vertreter von A. vitis, Pseudomonas, Enterobacteriaceae, Agrobacterium tumefaciens, Gammaproteobacteria und Burkholderiales, vorhanden. Diese Bakterien werden überwiegend aus dem Boden rekrutiert und profitieren von der Nährstoffsituation in der Wurzelhalsgalle. Wurzelhalsgallen enthalten Opine, die nur von der transformierten Pflanzenzelle produziert werden. Interessanterweise hat in dieser Arbeit ein Agrobacterium-Isolat Gene, die zum Opinkatabolismus beitragen und ein Pseudomonas-Isolat kann Opine als einzige Kohlenstoffquelle nutzen. Trotzdem sind beide Isolate weder virulent noch verdrängen sie die virulenten A. vitis, die ebenso Opine nutzen, aus der Wurzelhalsgalle. In synthetischen Bakteriengemeinschaften an in vitro kultivierten Weinpflänzchen konnte gezeigt werden, dass diese und weitere tumorspezifischen Bakterien, neben A. vitis, nicht essentiell zur Entstehung der Wurzelhalsgalle nötig sind aber unterschiedliche Funktionen in der Wurzelhalsgalle übernehmen. Ein Serratia-Isolat hemmt das Wachstum von A. vitis auf festen Nährmedium, andere fördern oder hemmen das Wachstum der Wurzelhalsgalle. Nach Studien in der Literatur erhöhen weitere Bakterien die Resistenz des Rebstocks gegenüber biotischem und abiotischem Stress. Zusammengefasst identifizierten und isolierte ich in dieser Studie unter 150 unterschiedlichen Bakterien in der Wurzelhalsgalle jene Bakterien, die neben A. vitis von der neuen ökologischen Nische profitieren und somit wahrscheinlich Opportunisten mit unterschiedlichen Funktionen sind. In Folge von multiplen Interaktionen in der Wurzelhalsgalle entsteht ein ökologisches Gleichgewicht zwischen den opportunistischen Bakterien, der Wurzelhalsgalle und dem Rebstock, das den Fortbestand des Rebstocks mit Wurzelhalsgalle ermöglicht. / In nature, Agrobacterium vitis is known for the ability to introduce bacterial DNA into the grapevine genome, thereby causing crown gall disease. This plant disease has been studied for a century as a model for plant-pathogen interaction, while the role of the plant microbiota in disease development is not well understood. My study contributes to the understanding of the microbial ecology in crown galls of grapevine, combining culture-dependent with culture-independent high-throughput sequencing techniques. I analysed the structure of the endophytic microbiota by collecting different samples (soil, roots, graft unions and canes) of diseased and non-diseased grapevines from one vine-yard in Franconia, Bavaria, Germany during one growing season (spring, summer, autumn). The characterization of the grapevine-associated bacterial microbiota was completed by (i) detecting the virulence of diverse agrobacterial isolates using a tumour growth assay with in vitro cultivated grapevine plantlets, (ii) microbial analysis of synthetic communities of in vitro cultivated grapevine plantlets with crown galls, (iii) genome sequencing of a virulent and a non-virulent agrobacterial isolate, (iv) in vitro interaction studies on solid medium with bacterial isolates and (v) localisation of virulent A. vitis using Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM) in tumour tissues. Grapevine plants of this study have an organ-specific bacterial community that varies during one growing season. Healthy and diseased grapevine plants differed in the struc-ture of the bacterial community only in the graft union (with or without a crown gall), but not in the soil, root and one-year old cane. Microscopy revealed that virulent Agrobacteria mainly accumulate in defined spots of sclerenchymatous tissue, intercellular space and tissues associated with vessels. Therefore, there is unoccupied living space in a crown gall, which can be additionally colonized by tumour-specific bacteria. A season-independent stable core bacteria exists in grapevine crown galls in contrast to healthy graft unions, consisting of OTUs assigned to A. vitis, Pseudomonas, Enterobacteriaceae, Agrobacterium tumefaciens, Gammaproteobacteria and Burkholderiales. These bacteria are predominantly recruited from the soil and most likely profit from special nutrients in the crown gall. The crown gall contains opines, exclusively produced by transformed plant cells. Curiously individual isolates of Agrobacteria and Pseudo-monas of this study that are non-virulent do not outcompete virulent A. vitis in the crown gall but harbour, like A. vitis, genes involved in octopin-catabolism or use opines in liquid cultures as a sole nutrient source. Although synthetic bacterial communities revealed that the tumour-specific bacteria are not required for crown gall induction us-ing in vitro grown grapevine plantlets, they may have different functions in crown gall persistence. A Serratia-isolate inhibits the growth of A. vitis on solid medium, others reduce or support crown gall development, while some, according to literature, increase resistance of the grapevine plant against biotic and abiotic stresses. Taken together, among the 150 bacteria found in the crown galls, I identified and isolated bacteria in addition to A. vitis that profit from the new ecological niche suggesting an opportunistic lifestyle with different ecological functions. An ecological equilibrium in a bacterial community that balances crown gall growth will support the existence of grapevine plants with a crown gall in vineyards.

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des multidisziplinären Deutsch-Russischen Verbundprojektes "Laptev See 2000" erstellt. Die dargestellten bodenkundlichen und mikro-biologischen Untersuchungen verfolgten das Ziel die mikrobielle Lebensgemeinschaft eines Permafrostbodens im sibirischen Lena Delta zu charakterisieren, wobei den methanogenen Archaea besondere Beachtung zukam.<br><br> Die Probennahme wurde im August 2001 im zentralen Lenadelta, auf der Insel Samoylov durchgeführt. Das Delta liegt im Bereich des kontinuierlichen Permafrostes, was bedeutet, dass nur eine flache saisonale Auftauschicht während der Sommermonate auftaut. Das untersuchte Bodenprofil lag im Zentrum eines für die Landschaft repräsentativen Low Center Polygons. Zum Zeitpunkt der Beprobung betrug die Auftautiefe des untersuchten Bodens 45 cm.. Der Wasserstand lag zum Untersuchungszeitpunkt 18 cm unter der Geländeoberfläche, so dass alle tiefer liegenden Horizonte durch anaerobe Verhältnisse charakterisiert waren. Die Untersuchung der bodenkundlichen Parameter ergab unter anderem eine mit zunehmender Tiefe abnehmende Konzentration von Kohlenstoff und Stickstoff, sowie eine Abnahme von Temperatur und Wurzeldichte. Um die Auswirkungen der sich mit der Tiefe verändernden Bodeneigenschaften auf die Mikroorganismen zu ermitteln, wurden die Mikroorganismenpopulationen der verschiedenen Bodentiefen mit Hilfe der Fluoreszenz in situ Hybridisierung hinsichtlich ihrer Anzahl, Aktivität und Zusammensetzung beschrieben. Für die Charakterisierung des physiologischen Profils dieser Gemeinschaften, bezüglich der von ihr umsetzbaren Kohlenstoffverbindungen, wurden BIOLOG Mikrotiterplatten unter den in situ Bedingungen angepassten Bedingungen eingesetzt.<br><br> Die sich im Profil verändernden Bodenparameter, vor allem die abnehmende Substratversorgung, die geringe Temperatur und die anaeroben Verhältnisse in den unteren Bodenschichten führten zu einer Veränderung der Mikroorganismenpopulation im Bodenprofil. So nahm von oben nach unten die Gesamtanzahl der ermittelten Mikroorganismen von 23,0 × 108 auf 1,2 × 108 Zellen g-1 ab. Gleichzeitig sank der Anteil der aktiven Zellen von 59% auf 33%. Das bedeutet, dass im Bereich von 0-5 cm 35mal mehr aktive Zellen g-1 als im Bereich von 40-45 cm gefunden wurden. Durch den Einsatz spezieller rRNS-Sonden konn-te zusätzlich eine Abnahme der Diversität mit zunehmender Bodentiefe nachgewiesen werden.<br><br> Die geringere Aktivität der Population in den unteren Horizonten sowie die Unterschiede in der Zusammensetzung wirkten sich auf den Abbau der organischen Substanz aus. So wur-den die mit Hilfe der BIOLOG Mikrotiterplatten angebotenen Substanzen in größerer Tiefe langsamer und unvollständiger abgebaut. Insbesondere in den oberen 5 cm konnten einige der angebotenen Polymere und Kohlehydrate deutlich besser als im restlichen Profil umge-setzt werden. Das außerdem unter anaeroben Versuchsbedingungen diese Substrate deutlich schlechter umgesetzt wurden, kann so interpretiert werden, dass die konstant anaeroben Bedingungen in den unteren Horizonten ein Auftreten der Arten, die diese Substrate umset-zen, erschweren.<br><br> Die in den oberen, aeroben Bodenabschnitten wesentlich höheren Zellzahlen und Aktivitäten und die dadurch schnellere C-Umsetzung führen auch zu einer besseren Substratversorgung der methanogenen Archaea in den makroskopisch aeroben Horizonten. Die erhöhte Substratverfügbarkeit erklärt die Tatsache, dass im Bereich von 0-5 cm die meisten methanogenen Archaea gefunden wurden, obwohl sich dieser Bereich zum Zeitpunkt der Probennahme oberhalb des wassergesättigten Bodenbereichs befand. Trotz der aeroben Bedingungen in, liegt im Bereich von 5 10 cm die für die methanogenen Archaea am besten geeignete Kombination aus Substratangebot und anaeroben Nischen vor. Hinzu kommt, dass in diesen Tiefen die Sommertemperaturen etwas höher liegen als in den tieferen Horizonten, was wiederum die Aktivität positiv beeinflusst. Bei zusammenfassender Betrachtung der Untersuchungsergebnisse von Anzahl, Aktivität, Zusammensetzung und Leistung der gesamten, aber im besonderen auch der methanogenen Mikroorganismenpopulation wird deutlich, dass in dem untersuchten Bodenprofil unter ökologischen Gesichtspunkten die oberen 15-20 cm den für den C-Umsatz relevantesten Bereich darstellen. Das Zusammenspiel wichtiger Bodenparameter wie Bodentemperatur, Wasserstand, Nährstoffversorgung und Durchwurzelung führt dazu, dass in dem untersuchten Tundraboden in den oberen 15-20 cm eine wesentlich größere und diversere Anzahl an Mikroorganismen existiert, die für einen schnelleren und umfassenderen Kohlenstoffumsatz in diesem Bereich des active layers sorgt. / The soil characteristics and the bacterial community of the active layer (0-45 cm) of a permafrost affected tundra soil were analysed. The composition of the bacterial community was investigated by fluorescence in situ hybridisation (FISH) while BIOLOG Ecoplates were used to characterize microbial communities by determining the ability of the communities to oxidize various carbon sources.<br><br> Arctic tundra soils contain large amounts of organic carbon, accumulated in thick soil layers and are known as a major sink of atmospheric CO2. These soils are totally frozen throughout the year and only a thin active layer is unfrozen and shows biological activity during the short summer. To improve the understanding of how the carbon fluxes in the active layer are controlled, detailed analysis of composition, functionality and interaction of soil microorganisms was done. The FISH analyses of the active layer showed large variations in absolute cell numbers and in the composition of the active microbial community between the different horizons, which is caused by the different environmental conditions (e.g. soil temperature, amount of organic matter, aeration) in this vertically structured ecosystem. Results obtained by universal protein stain 5-(4,6-dichlorotriazin-2-yl)aminofluorescein (DTAF) showed an exponential decrease of total cell counts from the top to the bottom of the active layer (2.3 × 109 to 1.2 × 108 cells per g dry soil). By using FISH, up to 59% of the DTAF-detected cells could be detected in the surface horizon, and up to 84% of these FISH-detected cells could be affiliated to a known phylogenetic group. With increasing depth the amount of FISH-detectable cells decreased as well as the diversity of ascertained phylogenetic groups. <br><br> The turnover of substrates offered on the BIOLOG Ecoplates was slower and less complete in the deeper soil horizons. Especially in the upper 5 cm the turnover of some of the polymeric substances and some carbohydrates was much better than in deeper parts of the soil.<br><br> The interaction of important soil parameters (water table, nutrient availability, roots) leads to a larger and more diverse community in the upper 20 cm of the soil, which again cause a faster and more complete turnover in this part of the active layer.

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1. Microbial ecology According to Caumette et al. (2015) the term ecology is derived from the Greek words “oikos” (the house and its operation) and “logos” (the word, knowledge or discourse) and can, therefore, be defined as the scientific field engaged in the “knowledge of the laws governing the house”. This, in extension, results in the simple conclusion that microbial ecology represents the study of the relationship between microorganisms, their co-occurring biota and the prevailing environmental conditions (Caumette et al. 2015). The term microbial ecology has been in use since the early 1960s (Caumette et al. 2015) and microbial ecologists have made astonishing discoveries since. Microbial life at extremes such as in the hydrothermal vents (see Dubilier et al. 2008 and references therein) or the abundance of picophytoplankton (Waterbury et al. 1979; Chisholm et al. 1988) in the deep and surface waters of the oceans, respectively, are only a few of many highlights. Nevertheless, a microbial ecologist who, after leaving the field early in their career, now intends to return would hardly recognise again their former scientific field. The main reason for this hypothesis is to be found in the advances made to the methodologies employed in the field. Most of these were developed for biomedical research and were subsequently hijacked, sometimes followed by minor modifications, by microbial ecologists. The Author presents in this thesis scientific findings which, although spanning only a fraction of the era of research into microbial ecology, have been obtained using various modern tools of the trade. These studies were undertaken by the Author during his employment as postdoctoral scientist at Warwick University (UK), as member of staff at Plymouth Marine Laboratory (UK) and as scientist at the TU Bergakademie Freiberg. Although the scientific issues and the environmental habitats investigated by the Author changed due to funding constraints or due to change of work place (i.e. from the marine to the mining environment) the research shared, by and large, a common aim: to further the existing understanding of microbial communities. The methodological approach chosen to achieve this aim employed both isolation followed by the characterisation of microorganisms and culture independent techniques. Both of these strategies utilised again a variety of methods, but techniques in molecular biology represent a common theme. In particular, the polymerase chain reaction (PCR) formed the work horse for much of the research since it has been routinely used for the amplification of a marker gene for strain identification or analysis of the microbial diversity. To achieve this, the amplicons were either directly sequenced by the Sanger approach or analysed via the application of genetic fingerprint techniques or through Sanger sequencing of individual amplicons cloned into a heterologous host. However, the Author did not remain at idle while with these ‘classical’ approaches for the analysis of microbial communities, but utilised the advances made in the development of nucleotide sequence analysis. In particular, the highly parallelised sequencing techniques (e.g. 454 pyrosequencing, Illumina sequencing) offered the chance to obtain both high genetic resolution of the microbial diversity present in a sample and identification of many individuals through sequence comparison with appropriate sequence repositories. Moreover, these next generation sequencing (NGS) techniques also provided a cost-effective opportunity to extent the characterisation of microbial strains to non-clonal cultures and to even complex microbial assemblages (metagenomics). The work involving the high throughput sequencing techniques has been undertaken in collaboration with Dr Jack Gilbert (PML, lateron at Argonne National Laboratory, USA) and, since at Freiberg, with Dr Anja Poehlein (Goettingen University). These colleagues are thanked for their support with sequence data handling and analyses.

The conceptual subject of this study was to investigate the effects of microbial biofilms of the hyporheic zone of the river Elbe on nutrient dynamics and elimination. This resulted in four aspects, which were carried out separately. One aspect was the investigation of the dynamics of inorganic nitrogen compounds in the upper sediment layers, as highest microbial activity could be expected due to increased import of nutrients. Dissolved oxygen is suggested to control the nitrogen dynamics in the hyporheic zone, as dissolved oxygen in the flowing water varied seasonally and diurnally due to the photosynthetic activity of the algae and infiltrated in the hyporheic zone. The second aspect was the investigation of advective transport of algal cells through porous media. In laboratory columns the retention and retardation of morphological different algae was estimated. In the year 2001, it was possible to use the diving bell of the Office of Water and Navigation Magdeburg. Samples of the river bed at two different sites (Dresden-Übigau and Coswig near Lutherstadt-Wittenberg) were taken. Microbial activity rates, detrital and grain size parameters were detected. This sample material was also used for the detection of the microbial biocoenosis at the two sites. The microorganisms of the flowing water, the interstitial water and associated to the sediment were characterized by means of the fluorescence in situ hybridization (FISH) technique. Multivariate statistical analysis was performed on the FISH data at different spatial and phylogenetic scales. / Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von mikrobiellen Biofilmen in hyporheischen Sedimenten der Elbe sowie deren Auswirkungen auf die Stoffdynamik und die Nährstoffelimination. Daraus ergaben sich vier Teilaspekte, die separat bearbeitet wurden. Ein Aspekt war die Untersuchung der Stickstoffdynamik in den obersten Sedimentschichten, da hier aufgrund des erhöhten Importes von Nährstoffen die höchste mikrobielle Aktivität zu erwarten ist. Wesentliche biologische Steuergröße ist hierbei vermutlich der Gelöstsauerstoff, der saisonal sowie diurnal durch die photosynthische Aktivität der Algen auch die biochemischen Umsätze im hyporheischen Interstitial beeinflußt. Der zweite Aspekt war die Untersuchung des advektiven Transportes von Algen durch poröse Medien. In Laborversuchen wurde die Retention und die Retardation von morphologisch unterschiedlichen Algen untersucht. Im Jahr 2001 konnte der Taucherschacht des Wasser- und Schiffahrtsamtes Magdeburg genutzt werden. Dadurch konnte Probenmaterial aus der Flußmitte an zwei unterschiedlichen Standorten (Dresden-Übigau und Coswig bei Lutherstadt-Wittenberg) entnommen werden. Es wurden mikrobielle Umsatzraten, Detritus- und Korngrößen- Kenngrößen bestimmt. Ebenfalls am Probenmaterial der Taucherschachtaktion wurde die Fluoreszenz in situ Hybridisierung angewendet. Dies ermöglichte eine Bestandsaufnahme der Bakterien sowohl im Freiwasser der beiden Standorte, als auch im Interstitialwasser und den Bakterien assoziiert ans Sediment. Die Ergebnisse wurden auf unterschiedlichen räumlichen und phylogenetischen Ebenen mit multivariaten statistischen Methoden ausgewertet.