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dc.contributor.author
Pombo, Silvina Andrea
dc.contributor.supervisor
Eberl, Leo
dc.contributor.supervisor
Schroth, Martin Herbert
dc.contributor.supervisor
Zeyer, Josef
dc.date.accessioned
2017-09-19T09:29:29Z
dc.date.available
2017-06-10T03:25:12Z
dc.date.available
2017-09-19T09:29:29Z
dc.date.issued
2005
dc.identifier.isbn
3-933893-15-1
en_US
dc.identifier.uri
http://hdl.handle.net/20.500.11850/53030
dc.identifier.doi
10.3929/ethz-a-005011590
dc.description.abstract
Microorganisms play an important role in ecologically relevant processes such as the degradation of contaminants and the cycling of nutrients. To understand these processes it is of great interest to study the number and diversity of microorganisms involved (microbial community structure) as well as their function. One of the current challenges in microbial ecology is to find methods to simultaneously study and link microbial community structure with function, particularly at the field scale. The aim of this thesis was to apply a combination of tools at the field scale to determine the identity of microorganisms carrying out various processes in a petroleum hydrocarbon-contaminated aquifer, while at the same time quantifying the rates at which the processes occur. One of the approaches applied to link microbial community structure with function was the stable isotope labeling of phospholipid-derived fatty acids (PLFA) and archaeal lipids. This was achieved using 13C-labeled organic substrate during a single-well push-pull test (PPT). Firstly, a study was conducted to determine the feasibility of labeling active suspended microbial populations. The process targeted was acetate degradation under denitrifying conditions because nitrate reduction is an energetically favorable process with a high percentage of carbon assimilation. Significant 13Cincorporation in dissolved inorganic carbon (DIC) and PLFA was detected as early as 4 h after injection, showing that acetate was biologically oxidized and incorporated into the biomass. Profiles of enriched PLFA and fluorescent in situ hybridization (FISH) analysis suggested the presence of active denitrifiers. Thereafter we applied the same approach to follow [2-13C]acetate mineralization in the field through two different processes: oxidation coupled to sulfate reduction and acetoclastic methanogenesis. The latter are strictly anaerobic processes of lower energy yield than nitrate reduction. We also extended the analysis to microorganisms attached to the aquifer matrix. Enrichment in 13C of DIC and methane provided unequivocal evidence that sulfate reduction and methanogenesis occurred simultaneously at high concentrations of both electron donor and sulfate. The 13C-labeling of PLFA was significant in both water and aquifer matrix samples. The PLFA labeling patterns and FISH analyses of groundwater and aquifer matrix samples suggested that the main sulfate-reducing bacteria degrading the acetate were Desulfotomaculum acetoxidans and Desulfobacter sp. among the suspended populations, and D. acetoxidans among the attached populations. Furthermore, we compared the enrichment of archaeal lipids during the acetoclastic methanogenesis previously described with a complementary experiment based on H13CO3 - reduction. Methanogenesis was confirmed in both experiments by 13C-enrichment of CH4. The isoprenoid i20:0 was the only archaeal marker detected in groundwater and aquifer matrix samples. However significant 13C-enrichment of i20:0 was only found in the sediment samples of the 13C-acetate experiment. Finally we explored the feasibility of conducting a PLFA labeling experiment with 13Clabeled toluene. However, preliminary experiments showed that toluene strongly partitions between the water phase and the non-aqueous phase liquid (NAPL) and a retardation factor for toluene with respect to the tracer could not be estimated. Furthermore, we were unable to detect microbial transformation of toluene using isotopic data. Therefore the experiment with 13C-labeled toluene was not performed. We also performed a series of push-pull tests to measure the activity and diversity of methanogenic Archaea using other tools than isotope labeling. Acetate, formate, H2/CO2 and methanol were used to assess the activity of different methanogenic Archaea groups. Microbial community structure was determined using FISH, denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) of 16S rDNA amplified with the Archaea-specific primer set, and sequencing of DNA from dominant DGGE bands. The PPT results agreed with the molecular analysis. High H2 and formate consumption rates were linked with the presence of several members of the Methanomicrobiaceae and acetate consumption agreed with the presence of sequences and detection of bacteria related to Methanosaeta concilii using FISH. In conclusion, in this thesis using a combination of methods we were able to detect and quantify microbial activities at the field scale and link them with the microbial populations involved. In particular the use of labeled compounds is a sensitive tool that used in combination with hydrological, chemical and molecular tools provides us with new insights in the interrelation of processes occurring in a PHC contaminated aquifer. Mikroorganismen spielen eine wichtige Rolle beim Abbau von Schadstoffen in der Umwelt und dem Nährstoffkreislauf. Um diese Prozesse zu verstehen, sind Untersuchungen zu Anzahl und Diversität der involvierten Mikroorganismen (mikrobielle Populationsstruktur), sowie ihrer Funktion von grossem Interesse. Eine der grossen aktuellen Herausforderungen in der mikrobiellen Ökologie ist die Entwicklung von Methoden zur simultanen Untersuchung und Verknüpfung der Populationsstruktur von Mikroorganismen und deren Funktion. Das Ziel dieser Dissertation war die Anwendung einer Kombination von verschiedenen Methoden im Feldmassstab zur Identifizierung von Mikroorganismen, die verschiedene Prozesse in einem mit Mineralölkohlenwasserstoffen kontaminierten Grundwasserleiter ausführen. Gleichzeitig sollten die Raten quantifiziert werden, mit welcher diese Prozesse ablaufen. Einer der Ansätze, um die Verbindung zwischen Populationsstruktur von Mikroorganismen und deren Funktion herzustellen, beinhaltet die Markierung von Phospholipid-Fettsäuren (PLFA) und Lipiden von Archaea mit stabilen Isotopen. Dies wurde unter Einsatz von 13C-markiertem organischem Substrat in einem „Single-Well Push-Pull“ Experiment in einem Grundwasserleiter realisiert. Als erstes wurde eine Machtbarkeitstudie zur Markierung von aktiven Populationen von Grundwasserbakterien durchgeführt. Der angepeilte Prozess war der Abbau von [2-13C]Acetat unter denitrifizierenden Bedingungen, da die Reduktion von Nitrat ein energetisch bevorzugter Prozess mit hohem Prozentsatz an Kohlenstoff-Assimilation darstellt. Vier Stunden nach der Injektion konnte eine signifikante 13C-Anreicherung im gelösten inorganischen Kohlenstoff (DIC) und in den PLFA suspendierter Bakterien nachgewiesen werden. Damit konnte die biologische Oxidation von Acetat und dessen Einbau in die Biomasse gezeigt werden. Die Profile der angereicherten PLFA und Analysen mit Fluoreszenz in-situ Hybridisierung (FISH) deuteten auf die Anwesenheit aktiver Denitrifizierer hin. Als nächstes wandten wir den gleichen Ansatzan an auf die Mineralisation von [2-13C]Acetat durch zwei unterschiedliche Prozesse: Oxidation verbunden mit Sulfatreduktion und acetoklastische Methanogenese. Diese Prozesse sind strikt anaerob und weisen eine tiefere energetische Ausbeute als Nitratreduktion auf. Die Analyse wurde auch auf Mikroorganismen ausgeweitet, welche mit der Grundwassermatrix assoziiert sind. Die Anreicherung von 13C im DIC und in Methan zeigte klar, dass Sulfatreduktion und Methanogenese bei hoher Konzentration von Elektronendonator und Sulfat gleichzeitig ablaufen. Die 13C-Markierung der PLFA war sowohl in den Wasser- als auch in den Matrixproben signifikant. Profile der PLFA-Markierung und FISH Analysen von Wasser und Matrix lieferten Hinweise auf die wichtigsten sulfatreduzierenden Bakterien während des Abbaus von Acetat. Für die suspendierten Populationen waren dies Desulfotomaculum acetoxidans und Desulfobacter sp. und für die mit der Matrix assoziierten Populationen D. acetoxidans. Weiter verglichen wir die Anreicherung der Lipide von Archaea während der acetoklastischen Methanogenese mit einem komplementären H13CO3 - Reduktions – Experiment. Methanogenese konnte in beiden Experimenten durch die Anreicherung von 13C in Methan nachgewiesen werden. Das Isoprenoid i20:0 war der einzige Markier von Archaea, welche in Wasser und Matrixproben detektiert wurde. Eine signifikante 13C-Anreicherung von i20:0 konnte allerdings nur in den Matrixproben des 13C-Acetat Experimentes gefunden werden. Zum Schluss untersuchten wir die Durchführbarkeit eines PLFA - Markierungsexperimentes mit 13C-markiertem Toluol. In den Vorexperimenten konnte allerdings gezeigt werden, dass Toluol sich stark in die ölige Flüssigphase rücklöst. Ein Retardationsfaktor relativ zum konservativen Tracer konnte daher für Toluol nicht abgeschätzt werden. Es war uns auch nicht möglich, mikrobiellen Abbau von Toluol mit Isotopendaten zu detektieren. Das Experiment mit 13C-markiertem Toluol wurde daher im Feld nicht durchgeführt. Mit einer Serie von Push-Pull Experimenten untersuchten wir die Aktivität und Diversität methanogener Archaea unter Verwendung anderer Methoden ohne Isotopenmarkierung. Um die Aktivität verschiedener Gruppen von Archaea zu bestimmen, wurden Acetat, Format, H2/CO2 und Methanol verwendet. Die mikrobielle Populationsstruktur wurde mittels FISH-Analyse, Denaturierender Gradienten-Gelelektrophorese (DGGE) der 16S rDNA, welche mit einem Archaeaspezifischen Primerset amplifiziert wurde, und Sequenzierung der DNA aus dominanten DGGE Banden bestimmt. Es konnte eine Übereinstimmung zwischen den Resultaten der Push-Pull Experimente und der molekularen Analyse festgestellt werden. Hohe H2- und Format-Verbrauchsraten konnten mit dem Auftreten verschiedener Vertreter von Methanomicrobiaceae assoziiert werden. Der Acetat-Verbrauch stimmte mit dem Auftreten der Sequenzen und der FISH-Detektion eines mit Methanosaeata concilii verwandten Bakteriums überein. Diese Arbeit zeigt, dass es durch die Anwendung einer Kombination verschiedener Methoden möglich war, mikrobielle Aktivität im Feldmassstab zu detektieren, zu quantifizieren und damit gleichzeitig einen Zusammenhang zur involvierten mikrobiellen Population herzustellen. Insbesondere die Anwendung von markierten Substanzen repräsentiert einen sensitiven Ansatz, welcher in Kombination mit hydrologischen, chemischen und molekularen Methoden neue Einblicke in die Wechselbeziehungen von Prozessen in mit Mineralölkohlenwasserstoffen kontaminierten Grundwasserleitern gewährt.
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dc.format
application/pdf
dc.language.iso
en
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dc.publisher
Sierke Verlag
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dc.rights.uri
http://rightsstatements.org/page/InC-NC/1.0/
dc.subject
MICROBIAL ECOLOGY
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dc.subject
PHOSPHOLIPIDS (BIOCHEMISTRY)
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dc.subject
MIKROBIELLE ÖKOLOGIE
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dc.subject
PHOSPHOLIPIDE (BIOCHEMIE)
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dc.subject
BESTIMMUNG UND BESTIMMUNGSVERFAHREN (MIKROBIOLOGIE)
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dc.subject
MINERALÖL- UND KOHLENWASSERSTOFFE-ABBAUENDE MIKROORGANISMEN (MIKROBIOLOGIE)
en_US
dc.subject
MICROORGANISMS DEGRADING MINERAL OILS AND HYDROCARBONS (MICROBIOLOGY)
en_US
dc.subject
IDENTIFICATION/MICROORGANISMS (MICROBIOLOGY)
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dc.title
A field-scale approach to link microbial community structure and function in a petroleum hydrocarboncontaminated aquifer
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dc.type
Doctoral Thesis
dc.rights.license
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
ethz.size
157 S.
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ethz.version.edition
1. Auflage
ethz.code.ddc
DDC - DDC::5 - Science::570 - Life sciences
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ethz.identifier.diss
15960
en_US
ethz.identifier.nebis
005011590
ethz.publication.place
Göttingen
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ethz.publication.status
published
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ethz.leitzahl
ETH Zürich::00002 - ETH Zürich::00012 - Lehre und Forschung::00007 - Departemente::02350 - Dep. Umweltsystemwissenschaften / Dep. of Environmental Systems Science::02721 - Inst. f. Biogeochemie u. Schadstoffdyn. / Inst. Biogeochem. and Pollutant Dynamics::03335 - Zeyer, Josef (emeritus)
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ethz.leitzahl.certified
ETH Zürich::00002 - ETH Zürich::00012 - Lehre und Forschung::00007 - Departemente::02350 - Dep. Umweltsystemwissenschaften / Dep. of Environmental Systems Science::02721 - Inst. f. Biogeochemie u. Schadstoffdyn. / Inst. Biogeochem. and Pollutant Dynamics::03335 - Zeyer, Josef (emeritus)
ethz.date.deposited
2017-06-10T03:28:23Z
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ECOL
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2017-07-13T10:52:00Z
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2020-02-15T07:24:44Z
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