Physiological and Genomic Characterization of Thermophilic Methanotrophic Archaea and Their Partner-Bacteria
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
Physiological and genomic characterization of thermophilic methanotrophic archaea and their partner-bacteria Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat. - dem Fachbereich Biologie/Chemie der Universität Bremen vorgelegt von Viola Krukenberg Bremen, November 2015 Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Januar 2012 bis November 2015 am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie angefertigt. 1. Gutachterin: Prof. Dr. Antje Boetius 2. Gutachter: Prof. Dr. Ulrich Fischer 1. Prüfer: Prof. Dr. Jens Harder 2. Prüfer: Dr. Gunter Wegener Tag des Promotionskolloquiums: 11.12.2015 Table of contents Summary .................................................................................................................................... 1 Zusammenfassung ...................................................................................................................... 3 Abbreviations ............................................................................................................................. 5 Chapter I Introduction ........................................................................................................... 7 1.1. Relevance of microbial processes in the global methane budget ................. 8 1.2. Anaerobic mineralization of organic matter ................................................. 9 1.3. Microbial syntrophy ................................................................................... 12 1.4. Anaerobic oxidation of methane ................................................................ 16 1.5. Research outline and objectives ................................................................. 29 1.6. Material and methods ................................................................................. 31 1.7. Overview of enclosed manuscripts ............................................................. 45 Chapter II Intercellular wiring enables electron transfer between methanotrophic archaea and bacteria ......................................................................................................... 47 Chapter III Candidatus Desulfofervidus auxilii, a hydrogenotrophic sulfate-reducing bacterium involved in the thermophilic anaerobic oxidation of methane ........... 79 Chapter IV Comparative analysis of the metabolic potential of different subgroups of anaerobic methanotrophic archaea of clade 1 ................................................... 127 Chapter V Metabolic capabilities of microorganisms involved in and associated with the anaerobic oxidation of methane ........................................................................ 165 Chapter VI Discussion and perspectives .............................................................................. 207 6.1. Physiology and interspecies interaction in thermophilic AOM................ 208 6.2. Physiology and genomic profile of the bacterial partner HotSeep-1 ....... 210 6.3. Metabolic potential of ANME-1 .............................................................. 211 6.4. Metabolic capabilities of organisms in AOM enrichments ...................... 213 6.5. Perspectives for future research on AOM ................................................ 215 6.6. Concluding remarks .................................................................................. 217 Bibliography ........................................................................................................................... 219 Acknowledgements ................................................................................................................ 233 Appendix ................................................................................................................................ 235 Summary Methane is a potent greenhouse gas and its atmospheric concentration is strongly influenced by microbial processes. In anoxic marine environments 80% of the methane is oxidized by anaerobic microorganisms leading to reduced oceanic methane emissions. This anaerobic oxidation of methane (AOM) is coupled to sulfate reduction and is mediated by microbial consortia of anaerobic methane-oxidizing archaea and partner bacteria. The physiology of the consortia is incompletely understood but is thought to base on a metabolic interdependency of the partners, a syntrophy. The research presented in this PhD thesis focused on the physiology and genomic profile of AOM consortia, in particular on the microorganisms that are active at elevated temperatures (thermophiles). The thermophilic AOM is performed by a unique consortium of ANME-1 archaea and HotSeep-1 bacteria. In Chapter II we describe physiological studies and gene expression experiments with thermophilic AOM consortia and propose a syntrophy of AOM via direct exchange of reducing equivalents. In support of this hypothesis we visualized cell-to-cell connections in these consortia that we suggest to function as conductive nanowires in interspecies electron transfer. For the thermophilic bacterial partner, HotSeep-1 we obtained an ANME-1-free enrichment culture using hydrogen as alternative energy source, and by physiological and genomic investigation we show in Chapter III that this bacterial partner grows as chemolithoautotrophic sulfate reducer. Based on phylogenetic analysis we propose that HotSeep-1 presents a novel species, Candidatus Desulfofervidus auxilii. ANME-1, the archaeon participating in thermophilic AOM, belongs to a large group of uncultured organisms, which are known to have reversed the methanogenesis pathway to metabolize methane. The metabolic diversity among members of the ANME-1 group is still widely unexplored. In a comparative genome analysis of different ANME-1 in Chapter IV we show central aspects of their metabolism including a modified reverse methanogenesis pathway and abundant cytochromes possibly relevant for electron transfer. Environments of AOM activity and in vitro AOM enrichments are dominated by AOM consortia, but other microorganisms sustain as low abundant community whose function is not well understood. In Chapter V we show the cultivation of methanogens and sulfur-disproportionating bacteria from AOM enrichments. In conclusion the work of this PhD thesis has advanced our understanding of the functioning of thermophilic AOM, while further detailed comparative approaches are necessary to comprehend AOM syntrophy in all its detail and diversity. 1 2 Zusammenfassung Methan ist ein wichtiges Klimagas, dessen atmosphärische Konzentration stark von mikrobiellen Prozessen beeinflusst ist. In sauerstofffreien marinen Sedimenten wird 80% des Methans durch Mikroorganismen verbraucht, was zu verminderter Methanemission der Ozeane beiträgt. Diese anaerobe Oxidation von Methan (AOM) ist gekoppelt mit Sulfatreduktion und findet in Konsortien aus anaerob methan-oxidierenden Archaeen (ANME) und Partnerbakterien statt. Die Physiologie dieser Konsortien ist unvollständig verstanden, aber basiert vermutlich auf metabolischer Abhängigkeit der Partner, einer Syntrophie. Diese Doktorarbeit behandelt die Physiologie und die genomischen Eigenschaften von AOM Konsortien, speziell solcher die bei erhöhter Temperatur leben (thermophile). Thermophile AOM wird von einem einzigartigen Konsortium aus ANME-1 Archaeen und HotSeep-1 Bakterien durchgeführt. In Kapitel II beschreiben wir physiologische Studien und Genexpressions-Experimente und schlagen vor, dass die Syntrophie von ANME-1 und HotSeep-1 auf dem direkten Austausch von Elektronen beruht. Diese Hypothese unterstützend weisen wir Zell-zu-Zell Verbindungen nach, die wir als mikrobielle Drähte (‚nanowires‘) beschreiben und für den Austausch von Elektronen vorschlagen. Den bakteriellen Partner HotSeep-1 konnten wir ohne ANME, mit Wasserstoff als alternativem Wachstumssubstrat, anreichern und zeigen in Kapitel III in physiologischen und genomischen Untersuchung, dass HotSeep-1 chemolithoautotroph als Sulfatreduzierer wächst. Zusammen mit phylogenetischen Analysen schlagen wir vor, dass HotSeep-1 eine neue Art darstellt: Candidatus Desulfofervidus auxilii. Das Archaeum, beteiligt an thermophiler AOM, gehört zu einer großen Gruppe unkultivierter Organismen, von denen bekannt ist, dass sie den methanogenen Stoffwechselweg umkehren um Methan zu oxidieren. Die metabolische Diversität innerhalb der ANME-1 Gruppe ist noch weitgehend unerforscht. In Kapitel IV zeigen wir mithilfe von vergleichender Genomanalyse zentrale metabolische Aspekte von ANME-1, u.a. eine modifizierte reverse Methanogenese und häufige Cytochrome, welche vermutlich relevant für den Elektronentransfer sind. Standorte natürlicher AOM Aktivität und in vitro AOM Anreicherungen sind dominiert von AOM Konsortien, dennoch überleben auch andere Mikroorganismen langfristig, deren Funktion kaum verstanden ist. In Kapitel V zeigen wir, dass aus AOM Anreicherungen Methanogene und Schwefeldisproportionierer kultivert werden können. Zusammenfassend hat diese Doktorarbeit unser Verständnis der Physiologie der thermophilen AOM vorangebracht, während weitere vergleichende Analysen nötig sind, um die AOM Syntrophie im Detail und in aller Diversität zu verstehen. 3 4 Abbreviations AFM Atomic Force Microscopy ANME ANaerobe MEthane-oxidizing archaea AOM Anaerobic Oxidation of Methane AQDS AnthraQuinone-2,6-DiSulfonate APS Adenosine-5'-PhosphoSulfate ATP Adenosine TriPhosphate CARD-FISH CAtalyzed Reporter Deposition Fluorescence In Situ Hybridization CFE Carbon Fixation Efficiencies DAPI 4,6-DiAmidino-2-PhenylIndole COG Cluster of Orthologous Groups DBB