Despite general concern that the massive deposits of methane stored under permafrost underground and undersea could be released into the atmosphere due to rising temperatures attributed to global climate change, little is known about the methanogenic microorganisms in permafrost sediments, their role in methane emissions, and their phylogeny.
The aim of this thesis was to increase knowledge of uncultivated methanogenic microorganisms in submarine and terrestrial permafrost deposits, their community composition, the role they play with regard to methane emissions, and their phylogeny. It is assumed that methanogenic communities in warmer submarine permafrost may serve as a model to anticipate the response of methanogenic communities in colder terrestrial permafrost to rising temperatures.
The compositions of methanogenic communities were examined in terrestrial and submarine permafrost sediment samples. The submarine permafrost studied in this research was 10°C warmer than the terrestrial permafrost. By polymerase chain reaction (PCR), DNA was extracted from each of the samples and analyzed by molecular microbiological methods such as PCR-DGGE, RT-PCR, and cloning. Furthermore, these samples were used for in vitro experiment and FISH.
The submarine permafrost analysis of the isotope composition of CH4 suggested a relationship between methane content and in situ active methanogenesis. Furthermore, active methanogenesis was proven using 13C-isotope measurements of methane in submarine permafrost sediment with a high TOC value and a high methane concentration.
In the molecular-microbiological studies uncultivated lines of Methanosarcina, Methanomicrobiales, Methanobacteriacea and the Groups 1.3 and Marine Benthic from Crenarchaeota were found in all submarine and terrestrial permafrost samples. Methanosarcina was the dominant group of the Archaea in all submarine and terrestrial permafrost samples. The archaeal community composition, in particular, the methanogenic community composition showed diversity with changes in temperatures. Furthermore, cell count of methanogens in submarine permafrost was 10 times higher than in terrestrial permafrost.
In vitro experiments showed that methanogens adapt quickly and well to higher temperatures. If temperatures rise due to climate change, an increase in methanogenic activity can be expected as long as organic material is sufficiently available and qualitatively adequate. / Trotz allgemeiner Bedenken, dass auf Grund des Temperaturanstieges im Zusammenhang mit der globalen Klimaerwärmung große Mengen des in terrestrischen und submarinen Permafrostsedimenten gespeicherten Methans freigesetzt werden könnte, ist bisher wenig über die in diesen Böden lebenden methanogenen Mikroorganismen, ihre Phylogenese und sowie ihre Bedeutung hinsichtlich der Methanemissionen bekannt.
Das Ziel dieser Doktorarbeit war die Erweiterung der bisherigen Kenntnisse über unkultivierte methanogene Mikroorganismen in submarinen und terrestrischen Sedimentablagerungen, die Zusammensetzung ihrer Lebensgemeinschaft, ihrer Phylogenese und ihrer Bedeutung bei der Emission von Methan. Es wird vermutet, dass methanogene Gemeinschaften submarines Permafrostes zur Erstellung von Modellen genutzt werden können, um Aussagen bezüglich potenzieller Reaktionen methanogener Gemeinschaften des kälteren terrestrischen Permafrostes auf steigende Temperaturen, zu ermöglichen.
Die Zusammensetzung der methanogenen Gemeinschaft wurde in terrestrischen und submarinen Permafrostproben untersucht. Der im Rahmen dieser Forschungsarbeit untersuchte submarine Permafrost wies eine im Vergleich zum terrestrischen Permafrost um circa 10°C höhere Temperatur auf. Mittels Polymerasenkettenreaktion (PCR) wurde von jeder der Proben DNA extrahiert und mittels weiterer molekular-mikrobiologischen Methoden wie DGGE, RT-PCR und Klonierung analysiert. Des Weiteren wurden die Proben für in vitro Experimente und Zellzählungen (DAPI und FISH) verwendet.
Die Analyse der Isotopenzusammensetzung von CH4 in submarinen Permafrostsedimenten ließ einen Zusammenhang zwischen Methangehalt und aktiver in situ Methanogenese vermuten. Überdies konnte aktive Methanogenese, mittels 13C-Isotopenmessungen von Methan in submarinem Permafrostsediment mit hohem TOC-Wert und hoher Methankonzentration, bewiesen werden.
Im Rahmen der molekular-mikrobiologischen Untersuchungen wurden in allen submarinen und terrestrischen Permafrostproben unkultivierte Linien von Methanosarcina, Methanomicrobiales, Methanobacteriacea und den Gruppen 1.3 und Marine Benthic von Crenarchaeota gefunden. Methanosarcina war in allen submarinen und terrestrischen Permafrostproben die dominierende Gruppe der Archaeen. Die Zusammensetzung der archaealen Gemeinschaft, insbesondere die Zusammensetzung der methanogenen Gemeinschaft, variierte zwischen den submarinen und terrestrischen Proben. Des Weiteren fand sich bei der Zellzählung der Methanogenen im submarinen Permafrost eine 10-fach höhere Zellzahl als im terrestrischen Permafrost.
Die in vitro Experimente zeigten, dass Methanogene sich schnell und gut an höhere Temperaturen anpassen können. Im Falle weiter steigender Temperaturen auf Grund der Klimaveränderungen, kann – bei ausreichender Verfügbarkeit und Qualität organischen Materials – mit einer Zunahme der methanogenen Aktivität gerechnet werden.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:3799 |
| Date | January 2009 |
| Creators | Feige, Katharina |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Biochemie und Biologie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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