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Permafrost-affected ecosystems including peat wetlands are among the most obvious regions in which current microbial controls on organic matter decomposition are likely to change as a result of global warming. Wet tundra ecosystems in particular are ideal sites for increased methane production because of the waterlogged, anoxic conditions that prevail in seasonally increasing thawed layers. The following doctoral research project focused on investigating the abundance and distribution of the methane-cycling microbial communities in four different polygons on Herschel Island and the Yukon Coast. Despite the relevance of the Canadian Western Arctic in the global methane budget, the permafrost microbial communities there have thus far remained insufficiently characterized. Through the study of methanogenic and methanotrophic microbial communities involved in the decomposition of permafrost organic matter and their potential reaction to rising environmental temperatures, the overarching goal of the ensuing thesis is to fill the current gap in understanding the fate of the organic carbon currently stored in Artic environments and its implications regarding the methane cycle in permafrost environments. To attain this goal, a multiproxy approach including community fingerprinting analysis, cloning, quantitative PCR and next generation sequencing was used to describe the bacterial and archaeal community present in the active layer of four polygons and to scrutinize the diversity and distribution of methane-cycling microorganisms at different depths. These methods were combined with soil properties analyses in order to identify the main physico-chemical variables shaping these communities. In addition a climate warming simulation experiment was carried-out on intact active layer cores retrieved from Herschel Island in order to investigate the changes in the methane-cycling communities associated with an increase in soil temperature and to help better predict future methane-fluxes from polygonal wet tundra environments in the context of climate change. Results showed that the microbial community found in the water-saturated and carbon-rich polygons on Herschel Island and the Yukon Coast was diverse and showed a similar distribution with depth in all four polygons sampled. Specifically, the methanogenic community identified resembled the communities found in other similar Arctic study sites and showed comparable potential methane production rates, whereas the methane oxidizing bacterial community differed from what has been found so far, being dominated by type-II rather than type-I methanotrophs. After being subjected to strong increases in soil temperature, the active-layer microbial community demonstrated the ability to quickly adapt and as a result shifts in community composition could be observed. These results contribute to the understanding of carbon dynamics in Arctic permafrost regions and allow an assessment of the potential impact of climate change on methane-cycling microbial communities. This thesis constitutes the first in-depth study of methane-cycling communities in the Canadian Western Arctic, striving to advance our understanding of these communities in degrading permafrost environments by establishing an important new observatory in the Circum-Arctic. / Permafrost beeinflusste Ökosysteme gehören zu den Regionen, in denen als Folge der globalen Erwärmung eine Veränderung des mikrobiell-kontrollierten Abbaus von organischem Material zu erwarten ist. Besonders in den Ökosystemen der feuchten Tundralandschaften kommt es zu einer verstärkten Methanpoduktion unter wassergesättigten und anoxischen Bedingungen, die durch immer tiefere saisonale Auftauschichten begünstigt werden. Die vorliegende Doktorarbeit kontenzentrierte sich auf die Untersuchung der Abundanz und Verteilung der am Methankreislauf beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften in vier unterschiedlichen Polygonen auf der Insel Herschel und an der Yukon Küste in Kanada. Trotz des relevanten Beitrags der kanadischen West-Arktis am globalen Methanhaushalt, sind die dortigen mikrobiellen Gemeinschaften im Permafrost bisher nur unzureichend untersucht worden. Die zentrale Zielstellung der vorliegenden Arbeit besteht darin, die derzeitige Lücke im Verständnis der Kohlenstoffdynamik in der Arktis im Zuge von Klimaveränderungen und deren Bedeutung für den Methankreislauf in Permafrost-Ökosystemen zu schließen. Dies erfolgt durch Untersuchungen der am Abbau der organischen Substanz im Permafrost beteiligten methonogenen und methanothrophen mikrobiellen Gemeinschaften und ihrer möglichen Reaktionen auf steigende Umgebungstemperaturen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein Multiproxy-Ansatz gewählt, der die Analyse der Gemeinschaften mittels genetischen Fingerprintmethoden, Klonierung, quantitativer PCR und moderner Hochdurchsatzsequenzierung („Next Generation Sequencing“) beinhaltet, um die in der Auftauschicht der vier untersuchten Polygone vorhandenen Bakterien- und Archaeen-Gemeinschaften zu charakterisieren sowie die Diversität und Verteilung der am Methankreislauf beteiligten Mikroorganismen in unterschiedlicher Tiefe eingehend zu analysieren. Diese Studien wurden mit physikalisch-chemischen Habitatuntersuchungen kombiniert, da diese die mikrobiellen Lebensgemeinschaften maßgeblich beeinflussen. Zusätzlich wurde ein Laborexperiment zur Simulation der Klimaerwärmung an intakten Bodenmonolithen von der Insel Herschel durchgeführt, um die Veränderungen der am Methankreislauf beteiligten Gemeinschaften aufgrund steigender Bodentemperaturen zu untersuchen, sowie sicherere Voraussagen bezüglich der Methanfreisetzung in polygonalen Permafrostgebieten im Zusammenhang mit dem Klimawandel treffen zu können.

In dem Bericht werden praktikable mikrobiologische Nachweismethoden für ausgewählte Indikatorkeime in zehn repräsentativen sächsischen Biogasanlagen aufgezeigt. Weiterhin sind verschiedene Möglichkeiten der Hygienisierung von Wirtschaftsdünger und Gärresten inklusive der Bewertung der technischen und ökonomischen Realisierbarkeit dargestellt. Aus mikrobiologischer und ökonomischer Sicht ist unter den beschriebenen Gegebenheiten eine zusätzliche Hygienisierung für Biogasanlagen nicht erforderlich. Bereits die mesophile Prozessführung bewirkt eine Reduktion der Keimzahlen. Der mikrobiologische Befund der untersuchten Gärrestproben war nicht schlechter als der Befund des Ausgangsproduktes Gülle. Es kann deshalb davon ausgegangen werden, dass das seuchenhygienische Risiko bei der Düngung mit Gärresten nicht höher ist als bei der Verwendung von Gülle. Die Studie richtet sich an Landwirtschaftsbetriebe, wissenschaftliche Einrichtungen und Behörden.

Die Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie ist prinzipiell in der Lage, Mikroorganismen auf Stammesebene zu trennen und zu differenzieren. Das Projekt hat zum Inhalt, bestehende FT-IR-Datenbanken um handelsübliche probiotische Futterzusatzstoffe zu erweitern. Nach der erfolgreichen Erarbeitung einer Datenbank zur sicheren Differenzierung von ubiquitären und probiotischen B. cereus-Stämmen wurden die Datenbanken um probiotische Sporenbildner der Spezies B. subtilis und B. licheniformis sowie um probiotische Milchsäurebakterien (Enterococcus, Lactobacillus, Pediococcus) erweitert. Alle probiotischen Stämme lassen sich sicher von ubiquitär vorkommenden Mikrooganismen der gleichen Spezies trennen, zumeist gelingt auch die Differenzierung der Probiotika untereinander. Diese einfache, preiswerte, schnelle und dennoch exakte Methode stellt einen enormen Fortschritt für die Futtermittelmikrobiologie dar.

Das Projekt hat zum Inhalt, Hefen aus Futtermitteln sicher mittels Fourier-Transform-Infrarot (FT-IR)-Spektroskopie identifizieren zu können. Die am Zentralinstitut für Ernährungs- und Lebensmittelforschung der TU München bestehende Datenbank zur Identifizierung von Hefen mittels FT-IR-Spektroskopie konnte durch eine Datenerweiterung für die Futtermittelmikrobiologie nutzbar gemacht werden. So wurde die sichere Differenzierung der naheverwandten Arten der Gattungen Issatchenkia und Pichia möglich, die einen wesentlichen Anteil an der Gesamthefeflora von Futtermitteln pflanzlichen Ursprungs ausmachen. Desgleichen gelang die sichere spektrometrische Trennung der handelsüblichen probiotischen Saccharomyces cerevisiae-Stämme von ubiquitären Stämmen sowie eine Differenzierung der probiotischen Zusatzstoffe untereinander. Durch die Nutzung der FT-IR-Spektroskopie kann die mikrobiologische Qualität von Futtermitteln durch genaue Identifizierung der Hefespezies besser charakterisiert sowie ein Gesundheitsrisiko für die Tiere schnell und effizient beurteilt werden.

Gegenwärtig erlangen marinierte, vorverpackte Schweinefleischzubereitungen als typisches Convenience-Produkt eine zunehmende Marktbedeutung. Dem stehen allerdings wenig repräsentative Daten zur mikrobiologischen Sicherheit und Haltbarkeit dieser Produkte gegenüber. Ziel dieser Arbeit war es daher, im Interesse eines hohen Verbraucherschutzniveaus fundierte Daten über das Vorkommen und die Überlebensfähigkeit pathogener und toxinogener Mikroorganismen in vorverpackten marinierten Schweinefleischzubereitungen zu gewinnen. Darauf basierend sollten Empfehlungen für produktspezifische mikrobiologische Kriterien und Mindesthaltbarkeitsfristen abgeleitet werden. Während der Grillsaison der Jahre 2008 und 2009 wurden hierfür zwei Marktstudien über marinierte, vorverpackte Schweinenackensteaks (jeweils n=150) aus dem lokalen SB-Handel durchgeführt. Dabei erfolgte aufgrund der großen Produktvielfalt eine Einteilung der Produkte in Nackensteaks mit Senf-/Biermarinaden, Paprikamarinaden und Kräutermarinaden. Bei der Untersuchung wurden der pH-Wert, der mikrobiologische Status und das Vorkommen von verschiedenen pathogenen Keimen jeweils zum Zeitpunkt des Erwerbs und am Ende des MHD erfasst. Zudem wurden je Produktgruppe 10 für die industrielle Herstellung dieser Fleischzubereitungen verwendeten Flüssigmarinaden (n=30) mikrobiologisch auf die gleichen Parameter untersucht sowie pH- und aW-Werte in den Marinaden bestimmt. Auf Grundlage der Ergebnisse der Marktstudien wurde darüber hinaus die Überlebensfähigkeit von Salmonella spp. und Listeria monocytogenes in artifiziell kontaminierten Flüssigmarinaden jeder Kategorie während einer Lagerung für 42 Tage bei 4 und 22 °C überprüft. Die Gesamtkeimzahlen in den marinierten Schweinfleischsteaks lagen in einem Bereich von 2,8 x 103 bis 9,7 x 108 KbE/g, die Anzahl der Milchsäurebakterien zwischen 10 und 9,5 x 108 KbE/g und die der Enterobacteriaceae zwischen < 10 und 3,6 x 108 KbE/g. Bis zum Ende des MHD fand ein Anstieg der Gesamtkeimzahl und der Milchsäurebakterien bei gleichzeitigem pH-Wert-Abfall statt. Vermehrungsfähige Salmonellen wurden in 6 von 300 Proben (2,0 %) und Shigatoxin bildende Escherichia coli in 7 von 300 Proben (2,3 %) nachgewiesen. In 5 Proben (1,7 %) wurde Listeria monocytogenes mit bis zu 95 KbE/g und in 25 Proben (8,3 %) Staphylococcus aureus mit Keimzahlen bis 340 KbE/g detektiert. Bacillus cereus wurde in 64 Handelsproben (21,3 %) mit Keimzahlen bis zu 450 KbE/g und sulfitreduzierende Clostridien in 73 marinierten Schweinenackensteaks (24,3 %) mit Werten bis 500 KbE/g gefunden. Die Untersuchung der Flüssigmarinaden der drei Kategorien (n=30) erbrachte Gesamtkeimzahlen von 1,3 x 102 bis 4,2 x 105. Enterobacteriaceae und Milchsäurebakterien wurden jeweils nur in zwei Marinadenproben mit bis zu 180 bzw. 750 KbE/g nachgewiesen. Keine der Marinaden enthielt Salmonellen, Shigatoxin bildende Escherichia coli, Listeria monocytogenes oder Staphylococcus aureus. Positive Befunde wurden nur für Bacillus cereus und sulfitreduzierende Clostridien erhoben: 16 Proben (53,3 %) enthielten Bacillus cereus mit Keimzahlen von bis zu 230 KbE/g und 14 Proben (46,7 %) sulfitreduzierende Clostridien mit maximalen Keimzahlen von 120 KbE/g. Die aW-Werte der Marinaden variierten zwischen 0,2 und 0,94, die pH-Werte zwischen 3,57 und 6,53. Bei den Tenazitätsstudien in Marinaden wurde eine kontinuierliche Keimreduktion für beide Pathogene festgestellt: Sowohl L. monocytogenes als auch Salmonella spp. zeigten in Senfmarinaden sowie bei 22 °C Lagerungstemperatur eine deutlichere Absterbekinetik als in Paprika- bzw. Kräutermarinaden und bei 4 °C Lagerungstemperatur. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit können vorverpackte, marinierte Schweinenackensteaks auch nach MHD-Fristen von 18 Tagen als lebensmittelhygienisch sicher beurteilt werden. Allerdings können Lebensmittelinfektionserreger in den Produkten vorkommen und zum Teil bis zum Ende des MHD überleben. Im Hinblick auf den vorbeugenden Verbraucherschutz können folgende Empfehlungen für mikrobiologische Richtwerte von marinierten Schweinenackensteaks abgeleitet werden: Salmonellen: nicht nachweisbar in 25 g STEC: nicht nachweisbar in 25 g L. monocytogenes: < 102 KbE/g St. aureus: 1,0 x 102 KbE/g B. cereus: 1,0 x 104 KbE/g Sulfitreduzierende Clostridien: 1,0 x 104 KbE/g Aufgrund von teils starken Zunahmen der Gesamtkeimzahl und der Keimzahlen von Milchsäurebakterien und Enterobacteriaceae sollte die MHD-Frist auf maximal 7-10 Tage beschränkt werden, um eine mikrobiologisch annehmbare Qualität für den Verbraucher garantieren zu können. Bei der Zubereitung sollte auf eine Vermeidung von Kreuzkontaminationen und vor dem Verzehr auf eine vollständige Durcherhitzung geachtet werden.

Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss., 2007. / Dateien im PDF-Format.

Univ., Habil.-Schr. u.d.T.: Gradmann, Christoph: Medizin und Mikrobiologie in Deutschland 1870 - 1910--Heidelberg, 2001. / Literaturverz. S. 347 - [370].