This research investigated the existence of <10 £gm nitrogen-fixing unicellular cyanobacteria in the South China Sea. The surveys covered the period from February 2004 to January 2005 and a total of seven cruises. The unicellular cyanobacteria that express orange-yellow from cellular phycoerythrin were observed under a fluorescence microscope. Their expressions in nitrogen-fixation were confirmed by the results from reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and whole cell fluorescence immunolocalization of nitrogenase. The nifH gene sequences of the unicellular cyanobacteria collected from the South China Sea was with >90% identities of their nucleotides similar to the nifH gene sequences of unicellular diazotrophs from ALOHA (Hawaii) as well as Synechocystis sp. WH 8501, Cyanothece sp. ATCC 51142, Cyanothece sp. WH 8902, Cyanothece sp. WH 8904 and Synechococcus sp. RF-1. Positive reactions of fluorescence immunolocalization of nitrogenase were only observed in some, not all, of <10 £gm unicellular cyanobacteria, suggesting that cell counting alone can not be used to estimate nitrogen fixation rate. There was great seasonal and spatial variation in the unicellular cyanobacteria cell density. There was, however, no significant relationship between cell density and the investigated environmental factors. Cell density was high when temperature was high or where stratification index of water column was high, such as in summer or in basin in contrast to other seasons or the shelf-slope regions.

Das Pflanzenwachstum fördernde Bakterien (PGPB) kommen ubiquitär sowohl an der Wurzel als auch am Spross der Pflanzen vor und sie können über direkte oder indirekte Mechanismen einen bedeutenden Beitrag zur Stickstoffernährung der Pflanzen leisten. Die vorliegende Arbeit umfasst a) die Isolierung von PGPB, welche das Wachstum verschiedener Pflanzenarten fördern und durch Fusarien verursachte Pflanzenkrankheiten bekämpfen, b) die Analyse der Möglichkeiten Probleme der Pflanzenernährung durch den Einsatz von PGPB zu lösen, c) die Entwicklung neuer molekularbiologischer Methoden zur Messung der Diversität und Aktivität der PGPB. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Methoden zur Beschreibung der Diversität von rhizosphären PGPB entwickelt und verbessert um Verbindungen zwischen applizierten PGPB und deren Aktivitäten zu prüfen. Die sensitive quantitative real-time-PCR Methode wurde zur Quantifizierung bzw. zum Nachweis der inokulierten PGPB und zum Nachweis des nitrogenase-reduktase-Gens (nifH), des Markergens für potentiell diazotrophe Bakterien. Bakterienartspezifische Primer wurden aus dem Sequenzvergleich der 16S-23S ISR ausgewählter Bakterienstämme selektiert und Protokolle zur Quantifizierung dieser Bakterienarten erarbeitet. Die nifH Gen Quantifizierung an Pflanzen eröffnet die Möglichkeit Schlüsselorganismen in der assoziativen biologischen Luftstickstoffbindung zu identifizieren und kurzfristige Reaktionen der Bakteriengesellschaften auf Umweltveränderungen und Regulationsmechanismen in situ zu analysieren. / Plant growth promoting bacteria (PGPB) are ubiquitous in both plant root and shoot, and are important contributors to the nitrogen-input of plants exerting their positive effects on plant growth directly or indirectly through different mechanisms. The present work focuses on a) the isolation of PGPB, which promotes the growth of different plant cultures and controls plant diseases caused by Fusarium species, b) the prospects of PGPB to solve plant nutritional problems, c) developing new molecular methods for the assessment of their diversity and activity. In the frame of this thesis, the methods for the description of the diversity of root colonizing PGPB have been developed and improved to provide links between introduced PGPB abundance and activities. The approach used was based on the sensitive real – time PCR detection/quantification of introduced PGBP and the nitrogenase reductase gene (nifH), which served as a marker gene for potential diazotrophs. The amplified 16S-23S ISR sequences of studied bacteria were subjected to strain – specific primer design and a highly specific bacteria quantification protocol were developed. The bacteria quantification protocol was based on real – time PCR using strain specific primers in order to evaluate the colonization ability of studied bacteria, which were inoculated to plant roots. The results presented in this thesis have shown that monitoring of nifH amount in plant root is a suitable and promising approach to link inoculated diazotrophic bacteria abundance and its potential activity. The study of nifH gene abundance in plant offers the opportunity to identify key players in asymbiotic nitrogen fixation, to study short-term community responses in changing environments, or to analyze the effect of regulation in situ.

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.