The biosphere harbors a large quantity and diversity of microbial organisms that can thrive in all environments. Estimates of the total number of microbial species reach up to 1012, of which less than 15,000 have been characterized to date. It has been challenging to delineate phenotypically, evolutionary and ecologically meaningful lineages such as for example, species, subspecies and strains. Even within recognized species, gene content can vary considerably between sublineages (for example strains), a problem that can be addressed by analyzing pangenomes, defined as the non-redundant set of genes within a phylogenetic clade, as evolutionary units. Species considered to be ecologically and evolutionary coherent units, however to date it is still not fully understood what are primary habitats and ecological niches of many prokaryotic species and how environmental preferences drive their genomic diversity. Majority of comparative genomics studies focused on a single prokaryotic species in context of clinical relevance and ecology. With accumulation of sequencing data due to genomics and metagenomics, it is now possible to investigate trends across many species, which will facilitate understanding of pangenome evolution, species and subspecies delineation. The major aims of this thesis were 1) to annotate habitat preferences of prokaryotic species and strains; 2) investigate to what extent these environmental preferences drive genomic diversity of prokaryotes and to what extent phylogenetic constraints limit this diversification; 3) explore natural nucleotide identity thresholds to delineate species in bacteria in metagenomics gene catalogs; 4) explore species delineation for applications in subspecies and strain delineation in metagenomics. The first part of the thesis describes methods to infer environmental preferences of microbial species. This data is a prerequisite for the analyses performed in the second part of the thesis which explores how the structure of bacterial pangenomes is predetermined by past evolutionary history and how is it linked to environmental preferences of the species. The main finding in this subchapter that habitat preferences explained up to 49% of the variance for pangenome structure, compared to 18% by phylogenetic inertia. In general, this trend indicates that phylogenetic inertia does not limit evolution of pangenome size and diversity, but that convergent evolution may overcome phylogenetic constraints. In this project we show that core genome size is associated with higher environmental ubiquity of species. It is likely this is due to the fact that species need to have more versatile genomes and most necessary genes need to be present in majority of genomes of that species to be highly prevalent. Taken together these findings may be useful for future predictive analyses of ecological niches in newly discovered species. The third part of the thesis explores data-driven, operational species boundaries. I show that homologous genes from the same species from different genomes tend to share at least 95% of nucleotide identity, while different species within the same genus have lower nucleotide identity. This is in line with other studies showing that genome-wide natural species boundary might be in range of 90-95% of nucleotide identity. Finally, the fourth part of the thesis discusses how challenges in species delineation are relevant for the identification of meaningful within-species groups, followed by a discussion on how advancements in species delineation can be applied for classification of within-species genomic diversity in the age of metagenomics. / Die Biosphäre beherbergt eine große Zahl verschiedener Mikroorganismen, die fast alle bekannten Lebensräume besiedeln können. Die Gesamtzahl mikrobieller Spezies liegt Schätzungen zu Folge bei bis zu 1012, von denen jedoch bis heute erst 15.000 beschrieben worden sind. Die Beschreibung von phänotypisch, evolutionsbiologisch und ökologisch kohärenten Spezies, Sub-Spezies oder Stämmen stellt Forscher vor konzeptionelle Herausforderungen. Selbst innerhalb anerkannter Spezies kann die Kombination einzelner Gene oft stark variieren. Diese Beobachtung ist die Grundlage der Analyse von Pan-Genomen. also der Konstellation originärer Gene innerhalb einer Abstammunsglinie, als evolutionsbiologische Einheiten. Spezies entsprechen prinzipiell ökologisch und evolutionär kohärenten Einheiten, jedoch sind die primären Habitate und ökologischen Nischen vieler prokaryotischer Spezies bis heute nur unzureichend beschrieben, insbesondere mit Blick auf den Einfluss ökologischer Präferenzen auf die Evolution von Genomen. Die Mehrheit vergleichender genomischer Studien untersucht einzelne prokaryotische Spezies mit Bezug auf deren klinische oder ökologische Relevanz. Aufgrund der wachsenden Verfügbarkeit genomischer Daten ist es nun jedoch möglich, vergleichende Studien über Speziesgrenzen hinweg durchzuführen, um allgemeine Prinzipien der Evolution von Pan-Genomen, Spezies und Sub-Spezies zu untersuchen. Die wesentlichen Ziele der vorliegenden Arbeit waren 1) die Annotation von Habitatpräferenzen prokaryotischer Spezies und Stämme; 2) die Quantifizierung des Einflusses von Umwelt und Evolutionsgeschichte (Phylogenie) auf die genomische Diversität von Prokaryoten; 3) die Bestimmung natürlicher Schwellenwerte der Genomsequenzähnlichkeit zwischen Spezies, auch anhand von Genkatalogen; 4) die Untersuchung der Abgrenzung zwischen Spezies, Sub-Spezies und Stämmen mithilfe metagenomischer Daten. Im ersten Teil der Arbeit werden Methoden zur Bestimmung ökologischer Präferenzen mikrobieller Spezies beschrieben. Die so gewonnenen Daten dienen in der Folge als Grundlage für die Quantifizierung von Umwelt- und evolutionsgeschichtlichen Einflüssen auf die Struktur und Evolution bakterieller Pan-Genome im zweiten Teil der Arbeit. Ein zentrales Ergebnis dieser Untersuchung war, dass bis zu 49% der strukturellen Varianz in Pan-Genomen durch Habitatpräferenzen erklärt werden kann, im Gegensatz zu lediglich 18% durch phylogenetische Trägheitseffekte. Dies zeigt, dass die Größe und Diversität von Pan-Genomen nicht phylogenetisch limitiert ist, insbesondere in Fällen von konvergenter Evolution. Große Kern-Genome sind ferner mit einer weiten ökologischen Verbreitung von Spezies assoziiert; eine mögliche Erklärung ist, dass weit verbreitete Spezies vielseitigere Genome mit mehr notwendigen Genen besitzen, die ein Überleben in vielfältigen Umgebungen ermöglichen. Die vorgelegte Arbeit kann weiterhin einen Beitrag zur Vorhersage ökologischer Profile neu beschriebener Spezies leisten. Im dritten Teil der Arbeit werden datenbezogene, operationelle Definition von Spezies-Grenzen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Gene verschiedener Genome innerhalb derselben Spezies normalerweise mindestens 95% Ähnlichkeit der Nukleotidsequenz aufweisen, während die Ähnlichkeit zwischen Spezies desselben Genus geringer ausfällt. Dieser Wert liegt im Rahmen früherer Schätzungen. Der vierte Teil der Arbeit beschreibt abschließend die Herausforderungen bei der Bestimmung von evolutionären Linien innerhalb von Spezies und diskutiert anschließend, wie konzeptionelle Entwicklungen in dieser Frage für die Klassifizierung und Quantifizierung von Diversität anhand metagenomischer Daten genutzt werden kann.

Die sichere Entsorgung hochradioaktiver Abfälle stellt eine wichtige wissenschaftli-che und gesellschaftliche Herausforderung dar. Tongesteine sind potentielle Wirts-gesteine für die Endlagerung dieser Abfälle in einem geologischen Tiefenlager. Ben-tonite sollen dabei als Verfüllmaterial nicht nur für ein Endlager in Tonformationen, sondern auch in kristallinem Gestein dienen. Für eine langfristige Sicherheitsbewer-tung müssen verschiedene Aspekte berücksichtigt werden. Neben geologischen, ge-ochemischen und geophysikalischen Gesichtspunkten spielen auch natürlich vor-kommende Mikroorganismen eine entscheidende Rolle in der Umgebung eines sol-chen Endlagers. Gelangt in einem Worst-Case-Szenario Wasser in das Endlager, können diese mit den freigesetzten Radionukliden wechselwirken und beispielswei-se die chemische Speziation oder den Oxidationszustand verändern. In dieser Arbeit wurden die Wechselwirkungen des anaeroben, sulfatreduzierenden Bakteriums Desulfosporosinus hippei DSM 8344T, einem Vertreter der Gattung Desul-fosporosinus, die in Tongestein und Bentonit vorkommt, mit Uran(VI) und Europi-um(III) mit Hilfe verschiedener mikroskopischer, spektroskopischer und molekular-biologischer Methoden untersucht. Die Ergebnisse lieferten einen umfassenden Einblick in die ablaufenden Wechselwirkungsprozesse und zeigten deutliche Unter-schiede zwischen den untersuchten Elementen auf. Im Zuge dessen wurde ein be-sonderes Augenmerk auf die Untersuchung der Reduktion von Uran(VI) durch D. hippei DSM 8344T gelegt. Für dieses Element konnte eine Immobilisierung in einem gekoppelten Assoziations-Reduktionsmechanismus nachgewiesen werden. Im Ge-gensatz dazu wechselwirkte nur ein geringer Anteil des gelösten Europium(III) mit den Zellen des anaeroben Mikroorganismus, wobei eine teilweise Biopräzipitation von Europiumphosphat beobachtet werden konnte. Die Wechselwirkung des Mikroorganismus mit Uran(VI) wurde zunächst in einem Bikarbonat-gepufferten System untersucht, wobei keine Abnahme der Urankon-zentrationen nachgewiesen werden konnte und damit wahrscheinlich auch keine Reduktion von Uran(VI) in den Überständen erfolgte. Zusätzlich wurden die Expe-rimente in synthetischer Opalinustonporenlösung durchgeführt. Die Untersuchun-gen mit zwei verschiedenen Uran(VI)-Ausgangskonzentrationen (100 µM und 500 µM) zeigten dabei in beiden Fällen eine fast vollständige Entfernung des Urans aus den Überständen. Um genauere Informationen über die Uran(VI)-Speziation in den Überständen zu erhalten, wurden thermodynamische Berechnungen der auftretenden Komplexe sowohl in Bikarbonat-Puffer, als auch in synthetischer Opalinustonporenlösung durchgeführt. Ergänzend dazu wurden die Überstände der Versuche in der Poren-lösung lumineszenzspektroskopisch untersucht. Die thermodynamische Modellie-rung zeigte bei dem pH-Wert des Bikarbonat-Puffersystems (pH 6,8) die Dominanz des 1:3-Uranyl(VI)-Carbonat-Komplexes, wohingegen im Porenwasser (pH 5,5) ein Uranyl(VI)-Laktat-Komplex die vorrangige Spezies darstellte. Die Anwesenheit eines zusätzlichen Carbonat-Komplexes spielte in diesem Fall nur eine untergeordnete Rolle. Die Berechnungen konnten mit Hilfe der Lumineszenzspektroskopie bestätigt werden. Sowohl der dominante Laktat-Komplex, als auch ein geringer Anteil eines Uranyl(VI)-Carbonat-Komplexes konnten im Opalinustonporenwasser verifiziert werden. Die Speziesverteilung zeigte, dass nur der Anteil des Laktat-Komplexes mit steigenden Inkubationszeiten abnahm, wohingegen der Anteil des Carbonat-Komplexes konstant blieb. Dies bestätigte die Ergebnisse der Experimente in Bikar-bonat-Puffer und ließ Schlussfolgerungen dahingehend zu, dass der Carbonat-Komplex von den Zellen offenbar nicht reduziert werden konnte und dadurch die Bioreduktion von der Ausgangsspeziation des Uran(VI) abhängig ist. Fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen wiesen einen Einfluss des Urans auf die Zellvitalität und die Biofilmbildung nach. Mit Hilfe der Transmissionselektronenmik-roskopie konnte die Assoziation von Uran vorrangig auf der Zelloberfläche gezeigt werden. Zudem bildeten die Zellen Membranvesikel als mögliche Abwehrreaktion aus, um eine Verkrustung der Zellen zu verhindern. Diese Beobachtungen deuten auf eine Immobilisierung des Urans durch Wechselwirkung mit den Zellen hin. Die Reduktion des Uran(VI) wurde mit Hilfe verschiedener spektroskopischer Me-thoden bestätigt. Dabei zeigten UV/Vis-Untersuchungen der aufgelösten Zellpellets zunächst einen steigenden Anteil an Uran(IV) mit fortschreitender Inkubationszeit. Eine vollständige Reduktion des Urans konnte hingegen nicht nachgewiesen wer-den. HERFD-XANES-Messungen bestätigten die Reduktion des Uran(VI) in den Zell-pellets. Darüber hinaus konnte die Anwesenheit von Uran(V) während des Redukti-onsprozesses beobachtet werden, wodurch ein Ein-Elektronen-Prozess als Redukti-onsmechanismus für diesen Mikroorganismus verifiziert werden konnte. Des Weite-ren handelte es sich dabei um den erstmaligen Nachweis von Uran(V) während der Bioreduktion von Uran(VI) durch sulfatreduzierende Mikroorganismen im Allge-meinen. Ergänzende EXAFS-Untersuchungen konnten die Struktur der Uran(IV)-Verbindung hingegen nicht abschließend aufklären. Mittels Proteomikuntersuchungen als systembiologische Methode konnten Hinweise auf verschiedene während der Uraninkubation stattfindender Prozesse, wie bspw. die Biofilmbildung, den Zellwandumbau und eine Hochregulierung verschiedener Proteine, die in anderen Mikroorganismen für die Reduktion von Uran und anderen Metallen verantwortlich sind, gefunden werden. Des Weiteren konnten auch ver-schiedene Enzyme die an einer Stressreaktion der Zellen beteiligt sind nachgewiesen werden. In den Experimenten mit Europium(III), welches häufig als nicht radioaktives Ana-logon für die dreiwertigen Actinide zum Einsatz kommt, zeigten die Zellen nur eine geringe Wechselwirkung mit dem Lanthanid. Der toxische Einfluss des Schwerme-talls war geringer als in den Untersuchungen mit Uran(VI). Transmissionselektro-nenmikroskopische Aufnahmen zeigten eine Biopräzipitation von Europium(III) mit Phosphaten auf der Zelloberfläche und dadurch eine teilweise Immobilisierung des Metalls. Die aquatische Speziation des Europium(III) zeigte eine vollständige Komplexierung mit Laktat in den Überständen. Dies könnte eine mögliche Erklärung der geringen Wechselwirkung mit den Zellen liefern aufgrund einer Abschirmung des Lanthanids gegenüber zellulären Liganden. In den Zellspektren, ließen sich drei unterschiedli-che Spezies voneinander unterscheiden, eine lose mit den Zellen assoziierte Spezies und zwei zellulär gebundene Komplexe wahrscheinlich mit Carboxyl- oder Phos-phatgruppen. Eine ortsaufgelöste Speziation war mit Hilfe einer Kopplung von kon-fokaler Mikroskopie und Laserspektroskopie möglich. Zusammenfassend liefert diese Arbeit neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung sulfatreduzierender Mikroorganismen mit Uran(VI) und Europium(III) und trägt zu einem besseren Verständnis mikrobieller Reduktionsprozesse in der Umwelt bei. Die Immobilisierung von Uran durch eine teilweise Reduktion zu weniger löslichen Uran(IV)-Verbindungen, sowie eine verstärkte Biofilmbildung wirken sich positiv auf die Sicherheit eines Endlagers für hochradioaktive Abfälle in Tongestein aus. Es konnte allerdings auch gezeigt werden, dass stattfindende Wechselwirkungsprozes-se von der Ausgangsspeziation des Metalls abhängen, wodurch die Retention der Radionuklide möglicherweise eingeschränkt wird. Dadurch spielen die erhaltenen Ergebnisse nicht nur eine wichtige Rolle für ein umfassendes Sicherheitskonzept eines nuklearen Endlagers in Tongestein, sondern liefern auch neue Impulse für verschiedene Bioremediationsstrategien radioaktiv kontaminierter Umgebungen. / The safe disposal of high-level radioactive waste is a major scientific and societal challenge. Clay rocks are potential host rocks for the final disposal of the nuclear waste in a deep geological repository. Bentonites should serve as backfill material for a repository not only in clay formations, but also in crystalline rocks. Various aspects have to be considered for a long-term safety assessment. In addition to geological, geochemical and geophysical aspects, naturally occurring microorganisms in the en-vironment of such a repository play a decisive role. In the event of a worst-case sce-nario, if water enters the repository, these microorganisms can interact with the re-leased radionuclides and, for example, change the chemical speciation or oxidation state. In this work, the interactions of the anaerobic sulfate-reducing bacterium Desul-fosporosinus hippei DSM 8344T, a member of the genus Desulfosporosinus, which can be found in clay rock and bentonite, with uranium(VI) and europium(III) were in-vestigated using various microscopic, spectroscopic and molecular biological meth-ods. The results provided a comprehensive insight into the interaction processes and revealed significant differences between the investigated elements. Special attention was paid to the reduction of uranium(VI) by D. hippei DSM 8344T. For this element, an immobilization in a coupled association-reduction mechanism was demonstrated. In contrast, only a small fraction of the dissolved europium(III) interacted with the cells of the anaerobic microorganism, and a partial bioprecipitation of europium phosphate was observed. The interaction of the microorganism with uranium(VI) was first investigated in a bicarbonate-buffered system, where no decrease in uranium concentrations was observed, and thus probably no reduction of uranium(VI) occurs. In addition, ex-periments in synthetic Opalinus Clay pore solution were carried out. The investiga-tions with two different initial uranium(VI) concentrations (100 µM and 500 µM) showed an almost complete removal of uranium from the supernatants in both cas-es. Thermodynamic calculations of the complexes formed were performed in both, bi-carbonate buffer and synthetic Opalinus Clay pore water solution, to obtain more detailed information on uranium(VI) speciation in the supernatants. In addition, the supernatants of the pore water solution were analyzed by luminescence spectrosco-py. Thermodynamic modeling showed the dominance of the 1:3 uranyl(VI)-carbonate complex at the pH of the bicarbonate buffered system (pH 6.8), whereas in the pore water (pH 5.5) a uranyl(VI) lactate complex was the predominant spe-cies. The presence of an additional carbonate complex plays only a minor role in this case. The calculations were confirmed by luminescence spectroscopy. Both the dom-inant lactate complex and a small fraction of a uranyl(VI) carbonate complex could be detected in the Opalinus Clay pore water. The species distribution showed that only the proportion of the lactate complex decreased with increasing incubation times, while the proportion of the carbonate complex remained constant. This con-firmed the results of the experiments in bicarbonate buffer and led to the conclu-sion that the carbonate complex could not be reduced by the cells and therefore the bioreduction was dependent on the initial speciation of uranium(VI). Fluorescence microscopic images showed an influence of uranium on cell viability and biofilm formation. Transmission electron microscopy showed the association of uranium primarily on the cell surface. In addition, the cells formed membrane vesi-cles as a possible defense mechanism to prevent cell incrustation. These observa-tions indicated an immobilization of uranium by its interaction with the cells. The reduction of uranium(VI) was confirmed by various spectroscopic methods. UV/Vis studies of the dissolved cell pellets showed an increasing amount of urani-um(IV) with increasing incubation time. However, a complete reduction of uranium could not be detected. HERFD-XANES measurements verified the reduction of ura-nium(VI) in the cell pellets. In addition, the presence of uranium(V) was observed during the reduction process, confirming a one-electron process as the reduction mechanism for this microorganism. Furthermore, this was the first detection of ura-nium(V) during a bioreduction experiment of uranium(VI) by a sulfate-reducing microorganism in general. However, additional EXAFS studies could not conclusively elucidate the structure of the formed uranium(IV) compound. Using proteomics as a system biology method, evidence was found for various pro-cesses occurring during uranium incubation, such as biofilm formation, cell wall re-modeling, and up-regulation of various proteins responsible for the reduction of uranium and other metals in other microorganisms. In addition, several enzymes involved in a stress response of the cells were detected. In experiments with europium(III), which is often used as a non-radioactive analog of the trivalent actinides, the cells showed little interaction with the lanthanide. Compared to the studies with uranium(VI), the toxic influence of the heavy metal was less pronounced. Transmission electron microscopic images showed a bioprecip-itation of europium(III) with phosphates on the cell surface, resulting in partial im-mobilization of the metal. The aqueous speciation of europium(III) showed a complete complexation with lac-tate in the supernatants. This could be a possible explanation for the low interaction with the cells due to a shielding of the lanthanide from cellular ligands. In the cell spectra, three different species could be distinguished, one loosely associated with the cells and two cellularly bound complexes, probably with carboxyl or phosphate groups. A spatially resolved speciation could be detected by coupling confocal mi-croscopy and laser spectroscopy. To summarize, this work provides new insights into the interaction of sulfate-reducing microorganisms with uranium(VI) and europium(III) and contributes to a better understanding of microbial reduction processes in the environment. The im-mobilization of uranium by a partial reduction to less soluble uranium(IV) com-pounds, as well as the enhanced biofilm formation, have a positive effect on the safety of a repository for highly radioactive waste in clay rock. However, it has also been shown that the interaction processes that take place depend on the initial spe-ciation of the metal, which may limit the retention of radionuclides. Thus, the ob-tained results not only play an important role for a comprehensive safety concept of a repository for nuclear waste in clay rock, but also provide new impulses for differ-ent bioremediation strategies of radioactively contaminated environments.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene zweiphasige Vergärungssysteme hinsichtlich der mikrobiellen Biomasse und Abbauaktivität charakterisiert, mit dem Ziel, eine mikrobiologische Prozessüberwachung zu ermöglichen. Bei der analytischen Begleitung des Biogasprozesses stellte sich heraus, dass viele Biomasse- und Aktivitätsparameter anlagen- bzw. substratspezifische Werte aufweisen und Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen über diese mikrobiologischen Kenngrößen detektiert und verifiziert werden können. Im Normalbetrieb der Vergärung von Maissilage konnte in der Hydrolysestufe eine starke Vermehrung der mikrobiellen Gesamtzellzahl sowie eine Zunahme des Archaea:Bacteria-Verhältnisses verzeichnet werden. Die Aktivitätsprofile von Hydrolasen (unspezifische Esterase, Polysaccharasen und Proteasen) erlaubten eine Visualisierung des Hydrolysefortschritts. Hierbei erwiesen sich die Esterase-, Cellulase- und Xylanaseaktivität als besonders aussagekräftig. Ähnlich ermöglichte dies die Analyse der Atmungsaktivität, die die mikrobielle Abbauaktivität des Eingangs- bzw. das Restgaspotential des Ausgangsmaterials der Hydrolysestufe wiedergibt. Die phylogenetischen Analysen der ersten Prozessstufe zeigten eine klare Dominanz von cellulolytischen Bakterien der Gattung Clostridium (Ø 35%). Der Anteil der hydrogenotrophen Methanogenen lag in den untersuchten Systemen etwa 50% über dem der Acetoklastischen, was darauf schließen lässt, dass der hydrogenotrophe Methanbildungsweg favorisiert wird. Es wurde aber auch eine erhöhte Abundanz der nicht-methanogenen Crenarchaeota festgestellt, deren Rolle im Biogasprozess noch ungeklärt ist. Im Zuge dieser Arbeit wurde weiterhin die Vergärbarkeit von HCH-belasteter Grassilage bzw. ein potentieller mikrobieller β-HCH-Abbau untersucht. Hier konnte gezeigt werden, dass die Aktivität der Mikroorganismen durch die Schadstoffbelastung des Substrates nicht inhibiert war. Darüber hinaus konnte ein Abbau des β-HCH nach der Hydrolyse der Grassilage nachgewiesen werden. Durch das Auftreten von Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen konnten die Auswirkungen auf die untersuchten mikrobiologischen Kenngrößen näher untersucht und u. a. auch statistisch abgesichert verifiziert werden. Korrelationsanalysen verdeutlichten die mikrobiellen bzw. biochemischen Zusammenhänge im System. Besonders interessant sind dabei die signifikanten Korrelationen zwischen der Gesamtzellzahl, der Esteraseaktivität und dem Chemischen Sauerstoffbedarf, die für jede Verfahrensstufe nachgewiesen werden konnten. Diese Analysen zeigten erstmalig, dass die unspezifische Esteraseaktivität als allgemeiner mikrobieller Aktivitätsparameter in verschiedenen Prozessstufen von Biogasanlagen als Indikator zur Prozesseffizienz und -stabilität einsetzbar ist. Daher wurde die Methodik als Schnelltest weiterentwickelt, der auch vor Ort Anwendung finden kann. Dies ermöglicht eine direkte Analyse des Biogassubstrates, der Effizienz der Substratumsetzung sowie die Detektion von Störungen und eine entsprechende Steuerung und Regelung des Prozesses.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene zweiphasige Vergärungssysteme hinsichtlich der mikrobiellen Biomasse und Abbauaktivität charakterisiert, mit dem Ziel, eine mikrobiologische Prozessüberwachung zu ermöglichen. Bei der analytischen Begleitung des Biogasprozesses stellte sich heraus, dass viele Biomasse- und Aktivitätsparameter anlagen- bzw. substratspezifische Werte aufweisen und Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen über diese mikrobiologischen Kenngrößen detektiert und verifiziert werden können. Im Normalbetrieb der Vergärung von Maissilage konnte in der Hydrolysestufe eine starke Vermehrung der mikrobiellen Gesamtzellzahl sowie eine Zunahme des Archaea:Bacteria-Verhältnisses verzeichnet werden. Die Aktivitätsprofile von Hydrolasen (unspezifische Esterase, Polysaccharasen und Proteasen) erlaubten eine Visualisierung des Hydrolysefortschritts. Hierbei erwiesen sich die Esterase-, Cellulase- und Xylanaseaktivität als besonders aussagekräftig. Ähnlich ermöglichte dies die Analyse der Atmungsaktivität, die die mikrobielle Abbauaktivität des Eingangs- bzw. das Restgaspotential des Ausgangsmaterials der Hydrolysestufe wiedergibt. Die phylogenetischen Analysen der ersten Prozessstufe zeigten eine klare Dominanz von cellulolytischen Bakterien der Gattung Clostridium (Ø 35%). Der Anteil der hydrogenotrophen Methanogenen lag in den untersuchten Systemen etwa 50% über dem der Acetoklastischen, was darauf schließen lässt, dass der hydrogenotrophe Methanbildungsweg favorisiert wird. Es wurde aber auch eine erhöhte Abundanz der nicht-methanogenen Crenarchaeota festgestellt, deren Rolle im Biogasprozess noch ungeklärt ist. Im Zuge dieser Arbeit wurde weiterhin die Vergärbarkeit von HCH-belasteter Grassilage bzw. ein potentieller mikrobieller β-HCH-Abbau untersucht. Hier konnte gezeigt werden, dass die Aktivität der Mikroorganismen durch die Schadstoffbelastung des Substrates nicht inhibiert war. Darüber hinaus konnte ein Abbau des β-HCH nach der Hydrolyse der Grassilage nachgewiesen werden. Durch das Auftreten von Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen konnten die Auswirkungen auf die untersuchten mikrobiologischen Kenngrößen näher untersucht und u. a. auch statistisch abgesichert verifiziert werden. Korrelationsanalysen verdeutlichten die mikrobiellen bzw. biochemischen Zusammenhänge im System. Besonders interessant sind dabei die signifikanten Korrelationen zwischen der Gesamtzellzahl, der Esteraseaktivität und dem Chemischen Sauerstoffbedarf, die für jede Verfahrensstufe nachgewiesen werden konnten. Diese Analysen zeigten erstmalig, dass die unspezifische Esteraseaktivität als allgemeiner mikrobieller Aktivitätsparameter in verschiedenen Prozessstufen von Biogasanlagen als Indikator zur Prozesseffizienz und -stabilität einsetzbar ist. Daher wurde die Methodik als Schnelltest weiterentwickelt, der auch vor Ort Anwendung finden kann. Dies ermöglicht eine direkte Analyse des Biogassubstrates, der Effizienz der Substratumsetzung sowie die Detektion von Störungen und eine entsprechende Steuerung und Regelung des Prozesses.

The Arctic plays a key role in Earth’s climate system as global warming is predicted to be most pronounced at high latitudes and because one third of the global carbon pool is stored in ecosystems of the northern latitudes. In order to improve our understanding of the present and future carbon dynamics in climate sensitive permafrost ecosystems, the present study concentrates on investigations of microbial controls of methane fluxes, on the activity and structure of the involved microbial communities, and on their response to changing environmental conditions. For this purpose an integrated research strategy was applied, which connects trace gas flux measurements to soil ecological characterisation of permafrost habitats and molecular ecological analyses of microbial populations. Furthermore, methanogenic archaea isolated from Siberian permafrost have been used as potential keystone organisms for studying and assessing life under extreme living conditions. Long-term studies on methane fluxes were carried out since 1998. These studies revealed considerable seasonal and spatial variations of methane emissions for the different landscape units ranging from 0 to 362 mg m-2 d-1. For the overall balance of methane emissions from the entire delta, the first land cover classification based on Landsat images was performed and applied for an upscaling of the methane flux data sets. The regionally weighted mean daily methane emissions of the Lena Delta (10 mg m-2 d-1) are only one fifth of the values calculated for other Arctic tundra environments. The calculated annual methane emission of the Lena Delta amounts to about 0.03 Tg. The low methane emission rates obtained in this study are the result of the used remotely sensed high-resolution data basis, which provides a more realistic estimation of the real methane emissions on a regional scale. Soil temperature and near soil surface atmospheric turbulence were identified as the driving parameters of methane emissions. A flux model based on these variables explained variations of the methane budget corresponding to continuous processes of microbial methane production and oxidation, and gas diffusion through soil and plants reasonably well. The results show that the Lena Delta contributes significantly to the global methane balance because of its extensive wetland areas. The microbiological investigations showed that permafrost soils are colonized by high numbers of microorganisms. The total biomass is comparable to temperate soil ecosystems. Activities of methanogens and methanotrophs differed significantly in their rates and distribution patterns along both the vertical profiles and the different investigated soils. The methane production rates varied between 0.3 and 38.9 nmol h-1 g-1, while the methane oxidation ranged from 0.2 to 7.0 nmol h-1 g-1. Phylogenetic analyses of methanogenic communities revealed a distinct diversity of methanogens affiliated to Methanomicrobiaceae, Methanosarcinaceae and Methanosaetaceae, which partly form four specific permafrost clusters. The results demonstrate the close relationship between methane fluxes and the fundamental microbiological processes in permafrost soils. The microorganisms do not only survive in their extreme habitat but also can be metabolic active under in situ conditions. It was shown that a slight increase of the temperature can lead to a substantial increase in methanogenic activity within perennially frozen deposits. In case of degradation, this would lead to an extensive expansion of the methane deposits with their subsequent impacts on total methane budget. Further studies on the stress response of methanogenic archaea, especially Methanosarcina SMA-21, isolated from Siberian permafrost, revealed an unexpected resistance of the microorganisms against unfavourable living conditions. A better adaptation to environmental stress was observed at 4 °C compared to 28 °C. For the first time it could be demonstrated that methanogenic archaea from terrestrial permafrost even survived simulated Martian conditions. The results show that permafrost methanogens are more resistant than methanogens from non-permafrost environments under Mars-like climate conditions. Microorganisms comparable to methanogens from terrestrial permafrost can be seen as one of the most likely candidates for life on Mars due to their physiological potential and metabolic specificity. / Die Arktis spielt eine Schlüsselrolle im Klimasystem unserer Erde aus zweierlei Gründen. Zum einen wird vorausgesagt, dass die globale Erwärmung in den hohen Breiten am ausgeprägtesten sein wird. Zum anderen ist ein Drittel des globalen Kohlenstoffs in Ökosystemen der nördlichen Breiten gespeichert. Um ein besseres Verständnis der gegenwärtigen und zukünftigen Entwicklung der Kohlenstoffdynamik in klimaempfindlichen Permafrostökosystemen zu erlangen, konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf Untersuchungen zur Kontrolle der Methanflüsse durch Mikroorganismen, auf die Aktivität und Struktur der beteiligten Mikroorganismen-gemeinschaften und auf ihre Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen. Zu diesem Zweck wurde eine integrierte Forschungsstrategie entwickelt, die Spurengasmessungen mit boden- und molekularökologischen Untersuchungen der Mikroorganismengemeinschaften verknüpft. Langzeitmessungen zu den Methanflüssen werden seit 1998 durchgeführt. Diese Untersuchungen zeigten beträchtliche saisonale und räumliche Schwankungen der Methanemissionen auf, die zwischen 0 und 362 mg m-2 d-1 für die untersuchten Landschaftseinheiten schwankten. Für die Bilanzierung der Methanemissionen für das gesamte Delta wurde erstmals eine Klassifikation der unterschiedlichen Landschaftseinheiten anhand von Landsat-Aufnahmen durchgeführt und für eine Hochrechnung der Methandaten genutzt. Die Mittelwerte der regional gewichteten täglichen Methanemissionen des Lenadeltas (10 mg m-2 d-1) sind nur ein Fünftel so hoch wie die berechneten Werte für andere arktische Tundren. Die errechnete jährliche Methanemission des Lenadeltas beträgt demnach ungefähr 0,03 Tg. Die geringen Methanemissionsraten dieser Studie können durch den bisher noch nicht realisierten integrativen Ansatz, der Langzeitmessungen und Landschafts-klassifizierungen beinhaltet, erklärt werden. Bodentemperatur und oberflächennahe atmosphärische Turbulenzen wurden als die antreibenden Größen der Methanfreisetzung identifiziert. Ein Modell, das auf diesen Variablen basiert, erklärt die Veränderungen der Methanflüsse gemäß der dynamischen mikrobiellen Prozesse und der Diffusion von Methan durch den Boden und die Pflanzen zutreffend. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lenadelta erheblich zur globalen Methanemission aufgrund seiner weitreichenden Feuchtgebiete beiträgt. Die mikrobiologischen Untersuchungen zeigten, dass Permafrostböden durch eine hohe Anzahl von Mikroorganismen besiedelt wird. Die Gesamtbiomasse ist dabei mit Bodenökosystemen gemäßigter Klimate vergleichbar. Die Stoffwechselaktivitäten von methanogenen Archaeen und methanotrophen Bakterien unterschieden sich erheblich in ihrer Rate und Verteilung im Tiefenprofil sowie zwischen den verschiedenen untersuchten Böden. Die Methanbildungsrate schwankte dabei zwischen 0,3 und 38,9 nmol h-1 g-1, während die Methanoxidation eine Rate von 0,2 bis 7,0 nmol h-1 g-1 aufwies. Phylogenetische Analysen der methanogenen Mikro-organismengemeinschaften zeigten eine ausgeprägte Diversität der methanogenen Archaeen auf. Die Umweltsequenzen bildeten vier spezifische Permafrostcluster aus, die den Gruppen Methanomicrobiaceae, Methanosarcinaceae und Methano-saetaceae zugeordnet werden konnten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methanfreisetzung durch die zugrunde liegenden mikrobiologischen Prozesse im Permafrostboden gesteuert wird. Die beteiligten Mikroorganismen überleben nicht nur in ihrem extremen Habitat, sondern zeigten auch Stoffwechselaktivität unter in-situ-Bedingungen. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine geringfügige Zunahme der Temperatur zu einer erheblichen Zunahme der Methanbildungsaktivität in den ständig gefrorenen Permafrostablagerungen führen kann. Im Falle der Permafrostdegradation würde dieses zu einer gesteigerten Freisetzung von Methan führen mit bisher unbekannten Auswirkungen auf das Gesamtbudget der Methanfreistzung aus arktischen Gebieten. Weitere Untersuchungen zur Stresstoleranz von methanogenen Archaeen – insbesondere des neuen Permafrostisolates Methanosarcina SMA-21 - weisen eine unerwartete Widerstandsfähigkeit der Mikroorganismen gegenüber ungünstigen Lebensbedingungen auf. Eine bessere Anpassung an Umweltstress wurde bei 4°C im Vergleich zu 28°C beobachtet. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass methanogene Archaeen aus terrestrischem Permafrost unter simulierten Marsbedingungen unbeschadet überleben. Die Ergebnisse zeigen, dass methanogene Archaeen aus Permafrostböden resistenter gegenüber Umweltstress und Marsbedingungen sind als entsprechende Mikroorganismen aus Habitaten, die nicht durch Permafrost gekennzeichnet sind. Mikroorganismen, die den Archaeen aus terrestrischen Permafrosthabitaten ähneln, können als die wahrscheinlichsten Kandidaten für mögliches Leben auf dem Mars angesehen werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zur mikrobiellen Aktivität von Pseudomonas putida DSM12735 durchgeführt. Als Messgröße diente die mikrobielle Wärmeleistung, basierend auf dem Stoffumsatz durch die Mikroorganismen. Ziel war es, die Vor- und Nachteile der verwendeten Kalorimeter herauszuarbeiten. Dafür wurden klassische Batch-Wachstumskurven aufgenommen. Ein weiteres Ziel bestand darin, eine Methode zur schnellen kalorimetrischen Detektion der mikrobiellen Aktivität insbesondere für die stationäre Phase zu entwickeln. In dieser Phase findet kein signifikanter Stoffumsatz statt. Durch das gezielte Auslösen einer zweiten Wachstumsphase und damit einem Stoffumsatz wird die mikrobielle Aktivität kalorimetrisch wieder messbar. Eingesetzt wurden folgende Kalorimeter: der Thermal Activity Monitor 2277 (TAM) mit den Kalorimetern Micro Reaction System 2250-4 ml und 2250-20 ml (kurz: TAM-4ml, TAM-20ml), das IC-Chip-Kalorimeter FCC22 (Institut für Physikalische Chemie, TU Freiberg) und das Kalorimeter Micro-DSC II (MDSC).

Im Grundwasser des radioaktiven Endlagers Tomsk-7, Sibirien, Russland wurde die mikrobielle Diversität mittels der 16Sr DNA-Analyse untersucht. Die Ergebnisse zeigen die Dominanz von Betaproteobakterien, Bacteroidetes und einer neuen "Cyanobacteria-ähnlichen" Gruppe. Methanogene und verschiedene Cluster von Crenarcheota bestimmen die Archaeenpopulation. Autotrophe Bakterien wurden mit der RubisCO-Methode identifiziert und damit die Dominanz der Betaproteobakterien bestätigt. Aus den Gruppen der Alphaproteo- und Aktinobakterien wurden oligotrophe Bakterien isoliert. Diese tolerieren relativ hohe Konzentrationen unterschiedlicher Schwermetalle und wechselwirken effektiv mit Uran. EXAFS-Analysen haben gezeigt, dass bei pH 4,5 die Stämme U(VI) in Form von meta-Autunite immobilisieren. Bei pH 2 wurde das Uran an organische Phosphatreste gebunden. In der Umgebung des Endlagers Tomsk-7 wurden damit Mikroorganismen gefunden, die ein hohes Potential zur Bindung und zum Transport von Radionukliden haben.

Im Grundwasser des radioaktiven Endlagers Tomsk-7, Sibirien, Russland wurde die mikrobielle Diversität mittels der 16Sr DNA-Analyse untersucht. Die Ergebnisse zeigen die Dominanz von Betaproteobakterien, Bacteroidetes und einer neuen "Cyanobacteria-ähnlichen" Gruppe. Methanogene und verschiedene Cluster von Crenarcheota bestimmen die Archaeenpopulation. Autotrophe Bakterien wurden mit der RubisCO-Methode identifiziert und damit die Dominanz der Betaproteobakterien bestätigt. Aus den Gruppen der Alphaproteo- und Aktinobakterien wurden oligotrophe Bakterien isoliert. Diese tolerieren relativ hohe Konzentrationen unterschiedlicher Schwermetalle und wechselwirken effektiv mit Uran. EXAFS-Analysen haben gezeigt, dass bei pH 4,5 die Stämme U(VI) in Form von meta-Autunite immobilisieren. Bei pH 2 wurde das Uran an organische Phosphatreste gebunden. In der Umgebung des Endlagers Tomsk-7 wurden damit Mikroorganismen gefunden, die ein hohes Potential zur Bindung und zum Transport von Radionukliden haben.

Terrestrial environments are highly complex and dynamic. It consists of various types of soils which are constantly exposed to fluctuating conditions affecting their physical and biological properties. Moreover, soils are delivering several ecosystem services with high relevance for the human well-being such as water purification, nutrient cycling, or biodegradation. For many of those ecosystem services, microorganisms are the main drivers. In consequence, it is important to understand the functional response of microbial ecosystems to disturbances. Thus, identifying key factors for the functional stability of microbial ecosystems in terrestrial environments is of high interest. A powerful tool for analysing dynamics and underlying mechanisms of ecosystems are computational simulation models. Within this doctoral thesis, a spatiotemporally explicit bacterial simulation model was developed for assessing dynamics of biodegradation as a typical microbial ecosystem function under the influence of disturbances. Disturbances were introduced as lethal events for the bacteria within a certain, randomly picked disturbance area. The disturbance characteristics vary in the spatial configuration and frequency of the disturbance events. Functional stability was analysed in terms of the ability to recover the function after a single disturbance event, i.e. functional resilience, and the ability to maintain the function during recurrent disturbance events, i.e. functional resistance. Key factors for functional stability were assessed by systematically varying properties and processes of the microbial ecosystem and characteristics of the disturbance regime. Simulation results show a high influence of the disturbance characteristics, especially its spatial distribution pattern, on the stability of biodegradation. Functional resistance and resilience increase with fragmentation of the spatial pattern of the disturbances. The frequency of recurrent disturbance events proved also essential for the functional resistance: if the disturbances occur too often, the emergence of a functional collapse may not be preventable. However, if the fragmentation of the applied disturbance patterns increases, the function is also maintained under more frequent disturbances without a functional collapse. Ecological processes such as bacterial dispersal and growth are shown to enhance the biodegradation performance, but only under specific disturbance regimes, again depending on frequency and fragmentation of the disturbances. Dispersal networks are shown to increase the functional stability in many scenarios and, thus, may serve as a buffer mechanism against disturbances. Therefore, strategies facilitating these ecological processes, for instance stimulating fungi that act as dispersal networks for bacteria, or modulating the physical soil structure to alter the spatial configuration of disturbances are proposed to increase the functional stability of microbial ecosystems.

Der Nachweis von Fäkalindikatorbakterien (wie z. B. E. coli oder intestinale Enterokokken) gibt zwar einen Hinweis auf eine fäkale Belastung im Gewässer, erlaubt jedoch keinen Rückschluss auf den Ursprung. Im Rahmen dieser Dissertation wurden verschiedene Methoden zur Identifizierung von fäkalen Eintragsquellen (Microbial Soruce Tracking, MST) geprüft. Hierzu zählen Kultur-basierte Verfahren, wie der Nachweis von Toxingenen in E. coli-Isolaten, und Kultur-unabhängige Methoden wie die Denaturierende-Gradienten-Gelelektrophorese oder der Nachweis von DNA-Abschnitten, die spezifisch für menschlichen oder tierischen Kot sind. Die Untersuchung von E. coli-Isolaten aus der aquatischen Umwelt auf Toxingene erwies sich in Hinblick auf die Identifizierung von fäkalen Eintragsquellen als nicht zielführend. Problematisch war neben dem hohen Zeitaufwand vor allem das seltene Vorkommen dieser Virulenzfaktoren im untersuchten Gewässer. Enteropathogene E. coli-Bakterien werden nur von infizierten Wirten abgegeben, daher ist der Nachweis der Virulenzgene in Gewässern stark eingeschränkt. Im nächsten Schritt wurden Datenbank-unabhängige Verfahren für die Untersuchungen im Einzugsgebietsmaßstab etabliert. Methoden zur spezifischen Detektion von fäkalen Einträgen durch Menschen, Rinder (Wiederkäuer), Schweine, Hunde, Schafe, Hühner und Pferde standen anschließend für die Identifizierung von fäkalen Einträgen in verschiedenen Einzugsgebieten zur Verfügung. Die Ergebnisse der Untersuchungen belegen, dass mit den etablierten MST-Verfahren sehr empfindliche und spezifische Werkzeuge für die Identifizierung von fäkalen Einträgen im Einzugsgebietsmaßstab zur Verfügung stehen. Durch die Untersuchung von Wasserproben auf das Vorkommen von MST-Markern konnten Aussagen über Auftreten und Stärke fäkaler Belastungen in städtisch und ländlich geprägten Einzugsgebieten gemacht werden. Kontaminationsquellen wurden identifiziert und Vorschläge für gezielte Management¬maßnahmen im Einzugsgebiet abgeleitet. Des Weiteren wurde die MST-Verfahren erfolgreich dazu genutzt Erkenntnisse über den Ursprung von Antibiotikaresistenzgenen im Tai-See (China) zu gewinnen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die MST-Methoden basierend auf wirtsspezifischen Markern für den Einsatz in der Praxis geeignet sind. Zusammen mit der Betrachtung der örtlichen Gegebenheiten ist MST ein hilfreiches und kostengünstiges Werkzeug bei der Ursachen-forschung und der Ermittlung der Herkunft fäkaler Belastungen in der aquatischen Umwelt. Damit trägt es wesentlich zu einer zielorientierten Bewirtschaftung des Gewässers bei.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS FORMELVERZEICHNIS 1. HINTERGRUND 1.1 INDIKATORORGANISMEN 1.2 SOURCE TRACKING-METHODEN 1.2.1 Datenbank-abhängige Methoden 1.2.2 Datenbank-unabhängige Methoden 1.2.3 Source Tracking mit chemischen Substanzen 1.3 ANTIBIOTIKARESISTENZEN IN DER UMWELT 2. ZIELSETZUNG DER ARBEIT 3. MATERIAL UND METHODEN 3.1 MONITORING MIKROBIOLOGISCHER PARAMETER – KULTURVERFAHREN 3.1.1 Coliforme Bakterien und Escherichia coli 3.1.2 Enterokokken 3.1.3 Clostridium perfringens-Sporen 3.2 MOLEKULARBIOLOGISCHE ANALYTIK 3.2.1 PCR-Untersuchung von E. coli-Isolaten auf Virulenzgene 3.2.2 Molekularbiologische Untersuchung von Wasserproben 3.3 UNTERSUCHUNGEN ZUR ERFASSUNG DER CHARAKTERISTIKA DER KULTUR-UNABHÄNGIGEN MICROBIAL SOURCE TRACKING-VERFAHREN 3.3.1 Nachweisempfindlichkeit 3.3.2 Spezifität und Sensitivität 3.3.3 Charakterisierung möglicher Eintragsquellen 3.3.4 Untersuchungen zur Stabilität von Microbial Source Tracking-Markern 3.4 STATISTISCHE AUSWERTUNG 4. BESCHREIBUNG DER UNTERSUCHUNGSGEBIETE 4.1 RHEIN 4.2 GALLUSQUELLE 4.3 EINZUGSGEBIETE DER BERLINER WASSERBETRIEBE 4.3.1 Wasserwerk Tiefwerder 4.3.2 Wasserwerk Kaulsdorf 4.4 EINZUGSGEBIETE DER WSW ENERGIE & WASSER AG 4.4.1 Talsperre Herbringhausen 4.4.2 Talsperre Kerspe 4.5 TAI-SEE 4.6 VERGLEICH DER UNTERSUCHUNGSGEBIETE 61 5. ERGEBNISSE UND DISKUSSION 63 5.1 NACHWEIS VON VIRULENZGENEN ALS MICROBIAL SOURCE TRACKING-WERKZEUG 5.2 DATENBANK-UNABHÄNGIGE UND KULTUR-UNABHÄNGIGE MICROBIAL SOURCE TRACKING-VERFAHREN 5.2.1 Etablierung Datenbank-unabhängiger und Kultur-unabhängiger Microbial Source Tracking-Verfahren 5.2.2 Nachweisempfindlichkeit 5.2.3 Spezifität und Sensitivität der Marker 5.2.4 Charakterisierung möglicher Eintragsquellen 5.2.5 Stabilität von Microbial Source Tracking-Markern 5.3 UNTERSUCHUNG IM EINZUGSGEBIETSMAßSTAB 5.3.1 Gallusquelle 5.3.2 Wasserwerke Tiefwerder und Kaulsdorf 5.3.3 Talsperren Herbringhausen und Kerspe 5.4 EINSATZ VON MICROBIAL SOURCE TRACKING-METHODEN ZUR IDENTIFIZIERUNG DER HERKUNFT VON ANTIBIOTIKARESISTENZEN 6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 7. EIGENE VERÖFFENTLICHUNGEN 8. FINANZIELLE FÖRDERUNG 9. LITERATURVERZEICHNIS 10. ANHANG / Although evidence of fecal indicator bacteria (such as E. coli or intestinal enterococci) indicates fecal contamination in the aquatic environment, it does not allow any conclusion regarding the origin of the pollution. With the use of so-called microbial source tracking methods it is possible to trace the origin of such contaminations. In this dissertation, various microbial source tracking methods were tested. These include culture-based methods such as the detection of toxin genes in E. coli isolates, and culture-independent methods such as denaturing gradient gel electrophoresis or the detection of defined DNA sections specific for human or animal feces using quantitative real-time PCR. Analysis of E. coli isolates from the aquatic environment on toxin genes proved to be ineffective in identifying fecal sources of input. In addition to the high effort of time, the problem was the rare occurrence of these virulence factors in the examined water. Enteropathogenic E. coli bacteria carry virulence genes which are only released from infected hosts. Therefore, the detection of virulence genes in weakly to moderately contaminated waters is severely limited. In the next step, culture-independent PCR procedures were established. Afterwards, methods for the specific detection of fecal entries by humans, cattle (ruminants), pigs, dogs, sheep, chickens and horses were available for the identification of fecal entries in various catchment areas. The results of these investigations show that established MST methods provide very sensitive and specific tools for the identification of fecal entries at the catchment scale. Investigation using culture-independent methods provided information on the origin and severity of fecal pollutions in urban and rural catchment areas. Origins of contaminations were identified and concrete recommendations for management action plans in the catchment area were derived. Overall, the results show the potential and the suitability for practical application of molecular biological microbial source tracking methods. Furthermore, the MST methods have been successfully used to gain knowledge about the origin of antibiotic resistance genes in Tai Lake (China). The results of this thesis show that MST methods based on host-specific markers are suitable for practical use. Together with the consideration of local conditions, MST is a helpful and cost-effective tool for causal research and the determination of the origin of fecal contamination in the aquatic environment. Thus it contributes significantly to a goal-oriented management of the water body.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS FORMELVERZEICHNIS 1. HINTERGRUND 1.1 INDIKATORORGANISMEN 1.2 SOURCE TRACKING-METHODEN 1.2.1 Datenbank-abhängige Methoden 1.2.2 Datenbank-unabhängige Methoden 1.2.3 Source Tracking mit chemischen Substanzen 1.3 ANTIBIOTIKARESISTENZEN IN DER UMWELT 2. ZIELSETZUNG DER ARBEIT 3. MATERIAL UND METHODEN 3.1 MONITORING MIKROBIOLOGISCHER PARAMETER – KULTURVERFAHREN 3.1.1 Coliforme Bakterien und Escherichia coli 3.1.2 Enterokokken 3.1.3 Clostridium perfringens-Sporen 3.2 MOLEKULARBIOLOGISCHE ANALYTIK 3.2.1 PCR-Untersuchung von E. coli-Isolaten auf Virulenzgene 3.2.2 Molekularbiologische Untersuchung von Wasserproben 3.3 UNTERSUCHUNGEN ZUR ERFASSUNG DER CHARAKTERISTIKA DER KULTUR-UNABHÄNGIGEN MICROBIAL SOURCE TRACKING-VERFAHREN 3.3.1 Nachweisempfindlichkeit 3.3.2 Spezifität und Sensitivität 3.3.3 Charakterisierung möglicher Eintragsquellen 3.3.4 Untersuchungen zur Stabilität von Microbial Source Tracking-Markern 3.4 STATISTISCHE AUSWERTUNG 4. BESCHREIBUNG DER UNTERSUCHUNGSGEBIETE 4.1 RHEIN 4.2 GALLUSQUELLE 4.3 EINZUGSGEBIETE DER BERLINER WASSERBETRIEBE 4.3.1 Wasserwerk Tiefwerder 4.3.2 Wasserwerk Kaulsdorf 4.4 EINZUGSGEBIETE DER WSW ENERGIE & WASSER AG 4.4.1 Talsperre Herbringhausen 4.4.2 Talsperre Kerspe 4.5 TAI-SEE 4.6 VERGLEICH DER UNTERSUCHUNGSGEBIETE 61 5. ERGEBNISSE UND DISKUSSION 63 5.1 NACHWEIS VON VIRULENZGENEN ALS MICROBIAL SOURCE TRACKING-WERKZEUG 5.2 DATENBANK-UNABHÄNGIGE UND KULTUR-UNABHÄNGIGE MICROBIAL SOURCE TRACKING-VERFAHREN 5.2.1 Etablierung Datenbank-unabhängiger und Kultur-unabhängiger Microbial Source Tracking-Verfahren 5.2.2 Nachweisempfindlichkeit 5.2.3 Spezifität und Sensitivität der Marker 5.2.4 Charakterisierung möglicher Eintragsquellen 5.2.5 Stabilität von Microbial Source Tracking-Markern 5.3 UNTERSUCHUNG IM EINZUGSGEBIETSMAßSTAB 5.3.1 Gallusquelle 5.3.2 Wasserwerke Tiefwerder und Kaulsdorf 5.3.3 Talsperren Herbringhausen und Kerspe 5.4 EINSATZ VON MICROBIAL SOURCE TRACKING-METHODEN ZUR IDENTIFIZIERUNG DER HERKUNFT VON ANTIBIOTIKARESISTENZEN 6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 7. EIGENE VERÖFFENTLICHUNGEN 8. FINANZIELLE FÖRDERUNG 9. LITERATURVERZEICHNIS 10. ANHANG