Produktion und Verbrauch von Lachgas (N₂O) in Nitrat-ammonifizierenden Mikroorganismen

Mijić, Vanessa (2022)
Produktion und Verbrauch von Lachgas (N₂O) in Nitrat-ammonifizierenden Mikroorganismen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022035
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/22035

Kurzbeschreibung (Abstract)

Distickstoffmonoxid (Lachgas, N2O) ist ein atmosphärisches Treibhausgas und trägt zum Abbau der Ozonschicht in der Stratosphäre bei. Eine Vielzahl von Bakterienarten produziert das Kupfercluster-haltige Enzym N2O-Reduktase (NosZ). Auf der Grundlage phylogenetischer Analysen wurden die NosZ-Enzyme in Klade I oder Klade II eingeteilt, und es wird davon ausgegangen, dass sich die entsprechenden Organismen in Bezug auf die Elektronentransportprozesse zu NosZ sowie die Wartung und Reparatur des NosZ-Aktivzentrums erheblich unterscheiden. Die mikrobielle, anoxische N2O-Produktion aus Nitrat erfolgt durch Denitrifikation oder dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium (DNRA). Es existieren mehrere Enzyme, welche über Nitrit und Stickstoffmonoxid (NO) in entsprechenden Mikroorganismen als Teil von Atmungs- und/oder Entgiftungsstoffwechselwegen N2O erzeugen. Der DNRA-Modelorganismus Wolinella succinogenes ist in der Lage, während des anaeroben Wachstums durch Nitratatmung in nitratreichem Medium, kleine Mengen NO (höchstwahrscheinlich aus Nitrit) und N2O zu produzieren. Die Umwandlung reaktiver Stickstoffspezies wie Nitrit oder NO in weniger toxische Verbindungen, wie N2O oder Ammonium, ist für viele Mikroorganismen eine wichtige Eigenschaft und in eine Vielzahl von Stressantwortsystemen eingebunden. In dieser Arbeit wurden eine Reihe von Einzel-, Doppel- und Dreifach-Gendeletionsmutanten von W. succinogenes charakterisiert, um die Enzymologie des NO-Umsatzes (Detoxifizierung) und der N2O-Bildung zu klären. Dafür wurden DNRA-Wachstumsparameter unter Nitrat-suffizienten und Nitrat-limitierten Bedingungen, Konzentrationen von Formiat, Nitrat, Nitrit, NO, N2O und N2 sowie Phänotypen unter nitrosativen/nitrosylativen Stressbedingungen bestimmt. Den Mutanten fehlten der membrangebundene Cytochrom c-Nitrit/NO-Reduktase-Komplex NrfHA und/oder mindestens eines der folgenden zytoplasmatischen Proteine: das Flavodiiron-Protein Fdp, das mutmaßliche NO-reaktive Protein NorH und das Hybrid-Cluster-Protein Hcp. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das zytoplasmatische Hcp als das dominante NO-detoxifizierende (und höchstwahrscheinlich N2O-erzeugende) Enzym fungiert, wobei NrfHA einen geringen Beitrag leistet. Die Schlussfolgerungen werden auch durch transkriptomische Daten (RNAseq) gestützt. In einem zweiten Teil der Arbeit wurden sowohl der Nitratmetabolismus als auch die N2O-Reduktion des grampositiven Nitrat-ammonifizierenden Modellorganismus Neobacillus vireti untersucht. Es wurden die Rollen der Proteine Aor, CbaBA, Hmp, Hcp, NarG, NasC, NrfA, NirBD, NosB, NosC, NosZ bzgl. ihrer Beteiligung an der Nitrat-, Nitrit- und N2O-Reduktion mit Hilfe von Einzel- und Doppel-Gendeletionsmutanten untersucht. Wachstumsparameter, Substrat-/Produktkonzentrationen (Nitrat, Nitrit, NO, N2O und N2) sowie Lachgas-Reduktionsraten deuteten auf NasC als alleinige Nitratreduktase in N. vireti. Eine Beteiligung von Nitrat an der Regulation der DNRA wurde mittels Transkriptom-Sequenzierung (RNAseq) gezeigt. Es wurde ein Wachstumsvorteil von N. vireti durch die Zugabe von Lachgas nachgewiesen. Die ermittelte Lachgas-Reduktionsrate von N. vireti deutet auf ein hohes Potential dieses Bodenbakteriums als effektive N2O Senke hin. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse der Arbeit zum gestiegenen Verständnis von Lachgas-reduzierenden Bakterien bei.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2022

Autor(en):

Mijić, Vanessa

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Produktion und Verbrauch von Lachgas (N₂O) in Nitrat-ammonifizierenden Mikroorganismen

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Simon, Prof. Dr. Jörg ; Kletzin, PD Dr. Arnulf

Publikationsjahr:

2022

Ort:

Darmstadt

Kollation:

149 Seiten in verschiedenen Zählungen

Datum der mündlichen Prüfung:

6 Oktober 2022

DOI:

10.26083/tuprints-00022035

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/22035

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Nitrous oxide (laughing gas, N2O) is an atmospheric greenhouse gas and contributes to the depletion of the ozone layer in the stratosphere. A large number of bacterial species produce the copper cluster-containing enzyme N2O reductase (NosZ). Based on phylogenetic analyses, NosZ enzymes have been classified into clade I or clade II, and the corresponding organisms are thought to differ significantly in terms of electron transport processes to NosZ and maintenance and repair of the NosZ active site. Microbial anoxic N2O production from nitrate occurs by denitrification or dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA). Several enzymes exist that produce N2O via nitrite and nitric oxide (NO) in corresponding microorganisms as part of respiratory and/or detoxification metabolic pathways. The DNRA model organism Wolinella succinogenes is able to produce small amounts of NO (most likely from nitrite) and N2O during anaerobic growth by nitrate respiration in nitrate-rich medium. The conversion of reactive nitrogen species, such as nitrite or NO, into less toxic compounds, such as N2O or ammonium, is an important property for many microorganisms and is involved in a variety of stress response systems. In this work, a series of single, double and triple gene deletion mutants of W. succinogenes were characterised to elucidate the enzymology of NO turnover (detoxification) and N2O formation. For this purpose, DNRA growth parameters under nitrate-sufficient and nitrate-limited conditions, concentrations of formate, nitrate, nitrite, NO, N2O and N2 as well as phenotypes under nitrosative/nitrosylative stress conditions were determined. The mutants lacked the membrane-bound cytochrome c nitrite/NO reductase complex NrfHA and/or at least one of the following cytoplasmic proteins: the flavodiiron protein Fdp, the putative NO-responsive protein NorH and the hybrid cluster protein Hcp. The results suggest that cytoplasmic Hcp acts as the dominant NO-detoxifying (and most likely N2O-generating) enzyme, with NrfHA making a minor contribution. The conclusions are also supported by transcriptomic data (RNAseq). In a second part of the work, both nitrate metabolism and N2O reduction of the Gram-positive nitrate-ammonifying model organism Neobacillus vireti were investigated. The roles of the proteins Aor, CbaBA, Hmp, Hcp, NarG, NasC, NrfA, NirBD, NosB, NosC, NosZ in nitrate, nitrite and N2O reduction were investigated using single and double gene deletion mutants. Growth parameters, substrate/product concentrations (nitrate, nitrite, NO, N2O and N2) and nitrous oxide reduction rates pointed to NasC as the sole nitrate reductase in N. vireti. Involvement of nitrate in the regulation of DNRA was shown by transcriptome sequencing (RNAseq). A growth advantage of N. vireti by the addition of nitrous oxide was demonstrated. The determined nitrous oxide reduction rate of N. vireti indicates a high potential of this soil bacterium as an effective N2O sink. In summary, the results of the work contribute to the increased understanding of nitrous oxide-reducing bacteria.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-220352

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

10 Fachbereich Biologie
10 Fachbereich Biologie > Microbial Energy Conversion and Biotechnology

Hinterlegungsdatum:

03 Nov 2022 14:25

Letzte Änderung: