Microbial population composition of ochrous biofilms and water samples obtained from technical groundwater-fed systems vorgelegt von Diplom-Biologin Josephin Schröder geb. in Schwedt/Oder von der Fakultät III - Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktorin der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat.- genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Sven-Uwe Geißen Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Ulrich Szewzyk Gutachter: Prof. Dr. Flynn Picardal Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 05. Februar 2018 Berlin 2018 Danksagung An erster Stelle danke ich Prof. Dr. Ulrich Szewzyk für die Möglichkeit an dem spannenden und anwendungsbezogenen Thema zu arbeiten sowie für die wissenschaftliche Betreuung. Flynn Picardal danke ich für Bereitschaft, trotz der langen Anreise, meine Arbeit zu begutachten. Ebenfalls ein besonderer Dank gilt Dr. Burga Braun für die wissenschaftliche Betreuung während der gesamten Zeit am Fachgebiet, ihre ständige Unterstützung und für das Lesen des Manuskripts sowie die vielen wertvollen Vorschläge. Des Weiteren möchte ich den Projektpartnern des Antiocker-Projektes danken, die mir bei der Probenahme, Organisation und fachlichen Auseinandersetzung mit dem Thema geholfen haben. Ein besonderer Dank gilt Henrik, der zum einem als Projektpartner hervorragende Arbeit geleistet hat, mich bei der Auswertung der vielen Daten unterstützt hat, aber auch immer als guter Freund beiseite stand. Des Weiteren möchte ich den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der UMB danken. An dieser Stelle seien namentlich Anna, Micha, Heinz, Anja, Gaby, Bertram, Stefie, Bärbel und Marcella genannt sowie Stef für ihre kompetente Hilfe und freundschaftliche Arbeitsweise im Labor. Vielen Dank für eure Unterstützung, die fruchtvollen Gespräche und die netten Stunden. Allen nicht namentlich erwähnten alten und neuen Kollegen des Fachgebietes Umweltmikrobiologie danke ich für das angenehme Arbeitsklima und die vielfältige Unterstützung. Außerdem möchte ich allen Studenten danken, die ihre Bachelorarbeit im Rahmen des Dissertationsthemas angefertigt haben und somit einen wichtigen Teil zu meiner Arbeit beigetragen haben. Nicht zuletzt gilt mein besonderer Dank meinen lieben Eltern, Geschwistern, Freunden Annika, Luise, Josi, Ulli und Johanna sowie meinem Freund André für die andauernde Unterstützung, Geduld und den notwendigen Rückhalt während der letzten Jahre. Veröffentlichungen Auszüge der im Folgenden dargestellten Daten wurden bereits im Vorfeld in Fachpublikationen veröffentlicht. Fachpublikationen mit ordentlichen Begutachtungsverfahren Braun, B.1, Schröder, J.1, Knecht, H., & Szewzyk, U. (2016). Unravelling the microbial community of a cold groundwater catchment system. Water Research, 107, 113-126. 1These authors contributed equally to this work. Schröder, J., Braun, B., Liere, K., & Szewzyk, U. (2016). Draft genome sequence of Rheinheimera sp. strain SA_1 isolated from iron backwash sludge in Germany. Genome Announcements, 4(4), e00853-16. Braun, B.; Künzel, S.; Schroeder, J.; & Szewzyk, U. (2017). Draft Genome Sequence of strain R_RK_3, an iron-depositing isolate of the genus Rhodomicrobium isolated from a dewatering well of an opencast mine. Genome Announcements 5, A.00864-17. Andere Veröffentlichungen Schwarzmüller, H., Menz, C., Grützmacher, G., Gnierss, G., Jordan, V., Schröder, J., Braun, B., Szewzyk, U., Macheleidt, W. & Grischeck, T. Mikrobielle Verockerung in technischen Systemen (Teil 1): Probenahme aus dem Filterbereich eines Trinkwasserbrunnens mit neuartigem Unterwasserkamera- und Probenahme-System wwt Wasserwirtschaft-Wassertechnik, 31–33. 2014 III Schröder, J., Braun, B., Schwarzmüller, H., Menz, C., Grützmacher, G., Gnierss, G., Jordan, V., Macheleidt, W., Grischeck, T. & Szewzyk, U. Mikrobielle Verockerung in technischen Systemen (Teil 2): Molekularbiologische und mikrobiologische Untersuchungen von Ockerproben aus dem Filterbereich eines Trinkwasserbrunnens der Berliner Wasserbetreibe und von verschiedenen Proben der Betriebspumpe im Rahmen einer Instandhaltungsmaßnahme wwt Wasserwirtschaft-Wassertechnik, 33–36. 2014 Mikrobielle Verockerung in technischen Systemen 2015. Teilprojekt 1a: Mikrobiologie der Verockerung bei neutralem pH-Wert und deren Verhinderung. BMBF Projekt Förderkennzeichen: 02WT1185. Braun, B., Knecht, H., Neulinger, S., Schröder, J., & Szewzyk, U. (2017). Bakterienprofile in natürlichen und technischen Ökosystemen. BIOspektrum, 23(1), 46-48. Bachelorarbeiten im Rahmen des Dissertationsthemas Jan Phillip Samson (2013); Vergleichende Populationsanalysen der mikrobiellen Gemeinschaften einer russischen Wasserfassung Jens Blume (2013); Charakterisierung von Bakterien aus einer russischen Wasserfassung Anja Höhne (2014); Etablierung einer quantitativen Real-Time PCR zum spezifischen Nachweis von Crenothrix spp., Geothrix spp. und Gallionella spp. in einer russischen Wasserfassung Annelie Höhne (2014); Quantitativer Nachweis von Rhodoferax spp. in einer Wasserfassung mittels Real-Time PCR Regina Heick (2015); Untersuchungen zur kleinräumigen Heterogenität von Biofilmpopulationen auf verockerten Unterwassermotorpumpen IV Abstract Abstract This study assessed the abundance, composition, diversity and functional organisation of bacterial communities correlated to chemical water parameters in four technical groundwater-fed systems. Each sampling site was vulnerable to iron-clogging and was characterised by its own specific technical and hydrochemical conditions. Biofilm and groundwater samples were obtained and compared for drinking water wells in Berlin, a groundwater catchment area with a subsurface iron and manganese removal system in Russia, dewatering wells in the Rhenish lignite mining area and a lab-scale reactor with a natural ochrous formation due to groundwater abstraction. Each sampling site’s bacterial composition was analysed by 16S rRNA gene clone library construction or 454-pyrosequencing to determine the dominant bacterial groups and to compare the bacterial compositions across all of the sampling sites. Samples from all sites featured highly comparable distributions of phyla, and these mainly consisted of Proteobacteria. However, there were differences between the sites regarding the bacterial class. Sequences with a high homology to the class of Deltaproteobacteria were predominantly abundant in those samples obtained from the lab-scale reactor and the Berlin drinking water wells. In addition, sequences from those samples derived from the wells located at the Russian water catchment site were associated with Betaproteobacteria, while sequences from the dewatering wells at the opencast mining sites belonged to Gammaproteobacteria. A bacterial population analysis of the 16S rRNA gene did not reveal any shared core operational taxonomic units (OTUs) across all of the sampling sites; however, several OTUs, such as Geobacter, Rhodoferax, Gallionella and Geothrix, were found repeatedly often at most of the sampling sites, indicating that they had an influence on the iron-clogging processes. Those groups are all involved in iron oxidation and reduction reactions, and their biofilm formation potential became apparent. In addition, site-dependent characteristics, such as methane availability in groundwater, caused high abundances of methano- and methylotrophic bacterial V Abstract genera, such as Crenothrix and Methylobacter. Such microorganisms are common sources of water supply problems. In addition to methane’s influence on the microbial community composition, the groundwater dissolved organic carbon (DOC) concentration and the redox potential, which is affected by the availability of oxygen, indicated to play a major role. Additionally, total bacterial and species-specific quantitative real-time PCR (qPCR) enabled to calculate the relative abundance of major taxonomic groups within the samples. The gene copy numbers detected by qPCR for all biofilm samples obtained from water well equipment revealed high amounts of Gallionella-, Crenothrix-, Geothrix- and Rhodoferax-related genes (up to 1011 copies g-1). In addition, the richness values calculated by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) indicated a high degree of diversity in almost all samples. The identification of parameters with an effect on the bacterial community structure will potentially help to prevent and remediate the clogging process in technical groundwater-fed systems. VI Zusammenfassung Zusammenfassung In dieser Arbeit wurden die Abundanz, Zusammensetzung, Diversität und funktionale Organisation (engl. functional organisation) der bakteriellen Gemeinschaften in vier technischen, mit Grundwasser gespeisten Systemen, untersucht. Zusätzlich wurden diese Daten mit den wasserchemischen Parametern korreliert. Alle untersuchten technischen Systeme zeigten Verockerungsablagerungen und waren durch standortspezifische, technische und hydrochemische Bedingungen charakterisiert. Die Biofilm- und Wasserproben stammten aus Trinkwasserbrunnen in Berlin, einer Trinkwasserfassung mit unterirdischer Enteisenung und Entmanganung in Russland, Sümpfungsbrunnen aus dem rheinischen Braunkohletagebaurevier und einem Brunnenreaktor im Labormaßstab. Die bakteriellen Gemeinschaften aller Standorte wurden auf der Ebene der 16S rDNA durch Erstellung einer Klonbibliothek und mittels 454- Pyrosequenzierungsanalyse untersucht, um die dominanten bakteriellen Gruppen zu detektieren und untereinander zu vergleichen. Das Phylum der Proteobacteria war die dominierende Gruppe