Micha Weil

• For centuries, peatlands have received little attention or recognition due to their perceived insignificance, invisibility, and negative associations. However, they are now receiving increasing attention due to the ecosystem services they provide as carbon and water reservoirs, as well as their rich biodiversity of rare and endangered animals and plants. In the discussion of greenhouse gas (GHG) emissions and their impact on the climate, peatlands are also recognized as being of significant importance. To comprehend the source of these GHG, it is necessary to examine the microbiome of peatlands and the effects of lowering (draining) and raising (rewetting) the water level. Peatlands store large amounts of soil organic carbon (SOC) in form of peat. Dead plant material is preserved in the water-saturated soils and the carbon dioxide (CO2) absorbed from the atmosphere through photosynthesis is stored as peat. However, when the water table in peatlands is lowered, atmospheric oxygen enters the soil, and the soil microbiome changes, leading to the microbial decomposition of SOC and the release of large quantities of CO2. Rewetting can halt aerobic decomposition processes by blocking oxygen. Anaerobic conditions are not conducive to aerobic organisms. Complex plant polymers, such as lignin, can no longer be broken down, preserving the peat body and allowing the peatland to once again serve as a long-term carbon sink. Under these anaerobic conditions, methanogenic archaea produce methane from metabolic products of fermentation processes. Methane is emitted in much smaller quantities, but has about 30 times the warming potential of CO2, making it the second most important GHG after CO2. To gain a better understanding of the processes involved in methanogenesis, it is essential to conduct a detailed investigation of the individual groups of archaea involved. The metabolic pathways of hydrogenotrophic methanogenesis from CO2 and hydrogen, as well as acetoclastic methanogenesis from acetate cleavage, have already been extensively researched and are considered the most significant pathways of methanogenesis. In recent years, additional organisms have been discovered that carry out methylotrophic methanogenesis from methanol and methylated compounds. The methylotrophic order of Methanomassiliicoccales was first described in 2012, but only one pure culture, Methanomassiliicoccus luminyensis, has been isolated. Further research into Methanomassiliicoccales, commonly found in mires, can enhance our understanding of methanogenesis not only in mires but also in other habitats, such as the gastrointestinal tracts (GIT) of animals or water body sediments. This study investigates the peat soil microbiomes, with a focus on methanogenic Archaea of the order Methanomassiliicoccales, at the six study sites of the WETSCAPES project. The sites are located in the three important fen types of Mecklenburg-Western Pomerania (alder forest, percolation fen, and coastal flooded fen), each in drained and rewetted areas. The first article investigates the microbial composition of prokaryotes and eukaryotes in the sites using Illumina MiSeq Amplicon sequencing of 16S rRNA and 18S rRNA genes. The aerobic microorganisms responsible for decomposing plant biomass are present in drained peatlands. In rewetted sites, the relative abundance of these organisms was significantly lower, while other groups, such as fermenting bacteria and methanogenic archaea, occurred in greater numbers. Quantitative polymerase chain reaction (qPCR) was used to determine the number of methanogenic archaea per gram soil. The results indicate that methanogens are at least 10 times more abundant in rewetted peatlands than in drained sites, suggesting increased methanogenesis in rewetted peatlands. These findings were confirmed by GHG measurements. The second article presents an overview of the interactions between water transport, soil chemistry, primary production, peat formation, material conversion and transport, microorganisms, and GHG exchange. The findings are based on state-of-the-art methods in the relevant research areas and combine initial results from all project partners of the WETSCAPES project. The third article focuses on an application-oriented approach and tests different rewetting strategies. The objective of this study was to decrease methane emissions by removing the topsoil and additional planting of peat mosses. The results of the study, which included measurements of GHG emissions and qPCR analyses of methanogenic archaea, showed a significant reduction in methane emissions after the top 30 cm of soil were removed compared to the untreated area. The fourth article deals with the methylotrophic order Methanomassiliicoccales, which belongs to the group of methanogenic archaea. Over a period of 2.5 years, at 12 time points, at three soil depths, 16S rRNA gene sequencing was used to produce a seasonal and spatial analysis of the Methanomassiliicoccales phylotypes present. The results revealed a distribution of the phylotypes based on soil depth, redox potential, and season, which were related to their physiological characteristics. In the fifth article, the 1.52 Mbp genome of "Ca. Methanogranum gryphiswaldense U3.2.1", a Methanomassiliicoccales strain, enriched to > 80% from peat soil of the rewetted percolation fen, was presented. The sixth article presented the microscopic, physiological, and genomic studies of Ca. Methanogranum gryphiswaldense U3.2.1. This hydrogen-dependent, methylotrophic strain from the family Methanomethylophilaceae, uses methanol and trimethylamine as electron acceptors. Despite various attempts, a pure culture has not yet been achieved. The study demonstrates the impact of rewetting on the soil microbiome, revealing its complexity. The development of the microbiome was influenced by various biotic and abiotic factors, depending on the location and water level. The abundance of methanogenic archaea was significantly higher in the rewetted sites compared to the drained ones. The Methanomassiliicoccales were found to be a significant contributor to the methanogenic archaea in the investigated sites. It remains to be examinated whether they also significantly contribute to methane formation. Enrichment cultures and genome analyses were used to investigate the substrate spectrum of Ca. Methanogranum gryphiswaldense U3.2.1 obtained from peat soil. The extraction of a pure culture from peat soils has not yet been successful and therefore remains a goal of future investigations.
• Moorgebiete haben jahrhundertelang wegen ihrer vermeintlichen Bedeutungslosigkeit, ihrer Unsichtbarkeit, und der negativen Assoziationen, die sie hervorrufen, nur wenig Beachtung und Anerkennung gefunden. In den letzten Jahren erfahren sie jedoch aufgrund ihrer Ökosystemleistungen, die sie als Kohlenstoff- und Wasserspeicher erbringen und ihrem großen Artenreichtum an (seltenen/bedrohten) Tieren und Pflanzen zunehmend Beachtung. In der Debatte um Treibhausgasemissionen und deren Auswirkungen auf das Klima wird Mooren ebenfalls eine große Bedeutung zugeschrieben. Um die Entstehung dieser Treibhausgase zu verstehen, ist es notwendig das Moormikrobiom und dessen Veränderungen durch Absenken (Trockenlegen) und Anheben (wieder Vernässen) des Wasserstandes zu erforschen. Moore speichern große Mengen an Kohlenstoff in Form von Torf. In den wassergesättigten Böden wird abgestorbenes Pflanzenmaterial konserviert und so das durch Photosynthese aus der Atmosphäre fixierte Kohlenstoffdioxid (CO2) als Torf gespeichert. Bei Absenkung des Wasserspiegels in Mooren gelangt Sauerstoff in den Boden und das Bodenmikrobiom verändert sich. Torf wird mikrobiell zersetzt und große Mengen an CO2 werden freigesetzt. Wiedervernässung kann diese aeroben Abbauprozesse durch Wasserabschluss und damit Ausschluss von Sauerstoff stoppen. Unter anaeroben Bedingungen können aerob lebende Organismen nicht überleben. Komplexe Pflanzenpolymere wie z.B. Lignin können nicht mehr abgebaut werden, der Torfkörper wird konserviert und das Moor kann langfristig wieder als Kohlenstoffsenke dienen. Unter diesen anaeroben Bedingungen bilden methanogene Archaeen das Treibhausgas Methan aus Stoffwechselprodukten von Fermentationsprozessen. Das gebildete Methan hat die ca. 30-fache Treibhausgaswirkung von CO2, wird aber in deutlich geringeren Mengen emittiert, was Methan zum zweitwichtigsten Treibhausgas nach CO2 macht. Um die Prozesse in der Methanbildung besser zu verstehen, ist es erforderlich die einzelnen an der Methanbildung beteiligten Gruppen der Archaeen genauer zu untersuchen. Hydrogenotrophe Methanogenese aus CO2 und Wasserstoff und acetoklastische Methanogenese aus Acetatspaltung sind in ihren Stoffwechselwegen schon gut erforscht und werden als die wichtigsten Wege der Methanbildung betrachtet. In den letzten Jahren wurden jedoch vermehrt Organismen entdeckt, welche auch methylotrophe Methanogenese, aus Methanol und methylierten Verbindungen, betreiben. Die methylotrophe Ordnung der Methanomassiliicoccales wurde 2012 erstmals beschrieben. Bisher liegt nur eine Reinkultur, Methanomassiliicoccus luminyensis, als Isolat vor. Eine weitere Erforschung dieser auch in Mooren häufig vorkommenden Ordnung trägt zum besseren Verständnis der Methanbildung in Mooren, aber auch in anderen Lebensräumen wie Gastro-Intestinal-Trakten (GIT) von Tieren oder Sedimenten von Gewässern bei. In dieser Arbeit werden die Mikrobiome, mit Schwerpunkt auf den methanogenen Archaea, an den sechs Untersuchungsstandorten des Projekts WETSCAPES, untersucht. Die Standorte befinden sich in den drei wichtigen Niedermoortypen Mecklenburg-Vorpommerns (Erlenbruchwald, Durchströmungsmoor und Küstenüberflutungsmoor), jeweils in entwässerten und wiedervernässten Bereichen. Im ersten Artikel wurde, basierend auf Illumina MiSeq Amplicon Sequenzierung der 16S rRNA und 18S rRNA Gene, die mikrobielle Zusammensetzung der Prokaryoten und Eukaryoten in den Standorten untersucht. Die in trockengelegten Mooren vorkommenden Mikroorganismen sind verantwortlich für den Abbau der pflanzlichen Biomasse. In wiedervernässten Standorten war die relative Abundanz dieser Organsimen deutlich geringer, andere Gruppen wie fermentierende Bakterien und Methan bildende Archaea traten in größerer Zahl auf. Die Zahl an methanbildenden Mikroorganismen pro Gramm Boden wurden mittels quantitativer Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) bestimmt. Hier zeigte sich, dass Methanogene in wiedervernässten Mooren mindestens um einen Faktor zehn häufiger vorkommen als in trockengelegten Standorten, was auf eine erhöhte Methanproduktion in wiedervernässten Mooren schließen lässt. Durch Treibhausgasmessungen wurden diese Annahmen bestätigt. Der zweite Artikel verknüpft erste Erkenntnisse aus allen Fachgebieten des Projekts WETSCAPES. Das Ergebnis ist ein Überblick über die Interaktionen zwischen Wassertransport, Bodenchemie, Primärproduktion, Torfbildung, Stoffumwandlung und -transport, Mikroorganismen und Treibhausgasaustausch unter Anwendung modernster Methoden in den relevanten Forschungsbereichen. Der dritte Artikel untersucht einen anwendungsbezogenen Ansatz, in dem verschiedene Wiedervernässungsstrategien getestet wurden. Mit Hilfe von Abtragung des Oberbodens und Besiedlung mit Torfmoosen, sollte der Methanausstoß nach der Wiedervernässung verringert werden. Messungen der Treibhausgasemission kombiniert mit qPCR der methanbildenden Archaea ergaben, dass sich der Methanausstoß nach Abtragung der oberen 30 cm Boden gegenüber der unbehandelten Fläche deutlich verringerte. Im vierten Artikel wurde die methylotrophe Ordnung der Methanomassiliicoccales, aus der Gruppe der methanbildenden Archaea, näher untersucht. Über einen Zeitraum von zweieinhalb Jahren wurde an zwölf Zeitpunkten, in drei Bodentiefen mit 16S rRNA Gen Sequenzierung eine jahreszeitliche und räumliche Analyse der vorkommenden Methanomassiliicoccales Phylotypen erstellt. Es zeigte sich eine Verteilung nach Bodentiefe, Redoxpotential und Jahreszeit in Abhängigkeit von den physiologischen Eigenschaften der Phylotypen. Im fünften Artikel wurde das 1,52 Mbp große Genom des Methanomassiliicoccales Stamms „Ca. Methanogranum gryphiswaldense U3.2.1“ vorgestellt. Dieser wurde aus Torfproben des wiedervernässten Durchströmungsmoors mittels anaeroben Kultivierungstechniken bis auf > 80% angereichert. Die mikroskopischen, physiologischen und Genom- Untersuchungen dieser Anreicherungskultur wurden im sechsten Artikel dargestellt. Der anaerob wachsende, wasserstoffabhängige methylotrophe Ca. Methanogranum gryphiswaldense U3.2.1 aus der Familie Methanomethylophilaceae nutzt Methanol und Trimethylamin als Elektronenakzeptor. Bisher gelang es trotz verschiedener Ansätze nicht, eine Reinkultur zu isolieren. Die Ergebnisse zeigen, wie komplex die Veränderungen im Bodenmikrobiom durch Wiedervernässung sind. Abhängig von Standort und Höhe des Wasserstandes hatten viele (a-)biotische Faktoren Einfluss auf die Entwicklung des Mikrobioms. Die Abundanz der methanbildenden Archaea war in den wiedervernässten Standorten signifikant höher als in den trockenen. Die Methanomassiliicoccales stellten einen substantiellen Anteil der methanogenen Archaea dar. Inwieweit sie auch einen wichtigen Anteil zur Methanbildung beitragen, bleibt zu untersuchen. In Anreicherungskulturen und Genomanalysen konnte das Substratspektrum des aus Moorboden gewonnenen Ca. Methanogranum gryphiswaldense U3.2.1 erforscht werden. Die Gewinnung einer Reinkultur aus Moorböden gelang bisher nicht und bleibt somit Ziel zukünftiger Untersuchungen.