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Eukaryotische Mikroalgen werden seit einigen Jahrzehnten hinsichtlich ihrer Eignung als Wirkstoffproduzenten intensiv untersucht, wobei bisher nur wenige potentiell nutzbare Verbindungen identifiziert wurden. Trotzdem lässt alleine die riesige Artenvielfalt die Vermutung zu, dass es Produzenten interessanter Sekundärstoffe geben muss. In den letzten Jahren zeigte sich außerdem, dass Mikroalgen Lieferanten von Wertstoffen, beispielsweise im Bereich der regenerativen Energien, sein können. Hier sind vor allem die hohen Kultivierungskosten und die geringe Produktausbeute noch zu überwindende Hürden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden 70 eukaryotische Mikroalgenstämme auf ihre Eignung als Produzenten neuartiger Wirk- und Wertstoffe untersucht. Außerdem wurde durch Variation der Kultivierungsbedingungen ermittelt, ob die Kultivierungskosten gesenkt und die Ausbeuten an relevanten Produkten aus Mikroalgen gesteigert werden können. Die untersuchten Mikroalgen stammten aus der Stammsammlung der Pharmazeutischen Biologie der Universität Greifswald, aus kommerziellen Stammsammlungen oder wurden aus Gewässerproben der Greifswalder Umgebung isoliert. Neue Isolate wurden mit molekulargenetischen Methoden identifiziert. Alle Mikroalgen wurden zunächst unter Standardbedingungen kultiviert, die Biomasse-Raum-Zeit-Ausbeute bestimmt und bewertet. Anschließend wurde die biochemische Zusammensetzung der Biomasse analysiert. Dazu wurden im Rahmen der Arbeit sechs Methoden zur Gesamtlipid-, Gesamtkohlenhydrat- und Gesamtproteingehaltsbestimmung sowie zur Analytik der Lipid- und Kohlenhydratzusammensetzung etabliert.
Die Algen zeigten bei Kultivierung unter Standardbedingungen Biomasseausbeuten bis 90 mg L-1 d-1. Die höchsten Wachstumsraten erreichten verschiedene Scenedesmus spp. Die biochemische Zusammensetzung der Algenbiomasse war sehr variabel. Häufig war jedoch der Proteinanteil mit ca. 50 % am höchsten, gefolgt von Kohlenhydraten mit etwa 30 % und einem Lipidanteil von ca. 10 %. Anhand der Modellalge Scenedesmus obtusiusculus konnte gezeigt werden, dass die Biomassezusammensetzung durch Variation der Kultivierungsbedingungen beeinflusst werden kann. So führten erhöhte Beleuchtung sowie Nitrat- und Eisenmangel zu vermehrter Lipid- und Kohlenhydratakkumulation. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein neues Kulturmedium entwickelt, in dem die Modellalge lipid- und kohlenhydratreiche Biomasse ohne Wachstumseinbußen im Vergleich zum Standardmedium produziert. Durch Verwendung natürlicher Wasserquellen als Basis für das Kulturmedium konnten darüber hinaus die Kultivierungskosten deutlich reduziert werden. Durch die gleichzeitige Steigerung der Produktausbeute und Senkung der Kultivierungskosten konnte gezeigt werden, dass auch eine großtechnische Produktion von Wertstoffen aus Mikroalgen wirtschaftlich sein kann.
Zur Bewertung des Potenzials der Mikroalgen als Produzenten von interessanten Sekundärstoffen wurde beispielhaft die antimikrobielle Aktivität von Extrakten der Algenbiomasse untersucht. Es zeigte sich, dass vor allem lipophile Extrakte gegen grampositive Bakterien wirksam waren, wofür wahrscheinlich die in den Extrakten nachgewiesenen mehrfach ungesättigten FS verantwortlich sind. Einige Mikroalgenarten wiesen zudem einen hohen Betaglucangehalt auf. Diesen Polysacchariden werden, wenn bestimmte Strukturvoraussetzungen erfüllt sind, diverse gesundheitsfördernde Effekte zugeschrieben. Durch Optimierung der Kultivierungsbedingungen konnten bei einigen Algenarten mit einem Gehalt von bis zu 35 % deutlich höhere Werte im Vergleich mit anderen betaglucanreichen Lebensmitteln wie Getreide (bis 10 %) oder Pilzen (bis 25 %) erreicht werden. Damit konnte gezeigt werden, dass Mikroalgen neben ihrer Eignung als Wertstoffproduzenten auch interessante Wirkstoffe liefern können.
Leaf-inhabiting fungi are a hyperdiverse group of microbiota found in all terrestrial habitats. Comparative studies targeting the drivers of endophytic fungal biodiversity are rare and identified multiple effectors, such as plant chemistry, climate and seasonal attributes. Our project aimed to study the pattern of the leaf-associated mycobiome of European beech (Fagus sylvatica) at altitudinally distinct sites to reveal diversity, composition and seasonal dynamics of fungal endophytes by a combination of metabarcoding, cultivation and subsequent ecological analyses. This thesis also intended to study the fungal relationship with biotic and abiotic factors: elevation, local site conditions, leaf biochemistry and leaf status. Metabarcoding and cultivation were applied for same leaf samples to trace both environmental drivers and method-dependent signals of the detected fungi. An experimental field site consisting of 100 (2-years old beech) trees was established called ‘beech phytometer’ system at two altitudes (517 and 975 m a.s.l.) in a German mountain forest. Beech trees were randomly selected from both sites as well as from neighboring beech trees. Ten trees from each site were chosen and 10 leaves per tree were sampled. Climatic and leaf biochemistry (Chlorophyll, flavonoid and nitrogen) data were seasonally (Autumn, Spring and Summer) investigated for two continuous years (Oct 2013 to Oct 2015) at these two elevations. In the first year (autumn, 2013) of the project (chapter 3.1), the leaf-inhabiting fungi of natural beech trees were investigated by using high-throughput sequencing (metabarcoding) at three altitudinally distinct sites (with timberline at 1381 m a.s.l.) in the German Alps. This paper focuses on a detailed description and evaluation of metabarcoding amplicon library preparation and a subsequent analytical workflow. Fungal diversity and community composition were compared as a function of different elevated sites and leaf status (i.e., vital or senescent). However, three investigation sites resulted in 969 OTUs (operational taxonomic units) from 820441 sequences. Taxonomic compositions (order) of beech fungi differed strongly among the three sites but were less distinct between the vital and the senescence leaves. Fungal community composition at valley site clearly differed from those of mountain and timberline where differences between mountain and timberline were less prominent. Vital and senescence leaf differed in fungal community structures indicating a strong dynamics of leaf fungi in autumn. Elevation and leaf status were found to be the main explaining factors, which affected the fungal richness and compositions. Another survey (Chapter 3.2) was conducted just after the establishment of the ‘beech phytometer’ trees in the same period (autumn 2013) where leaf mycobiome of the phytometer trees (trees originally came from Northern Germany and grown in nursery) were compared with the fungi of surrounding natural beech habitat at valley (517 m a.s.l.) and mountain site (975 m a.s.l.) in the same location “Untersberg”. Fungal diversity was lowest in the managed habitat in the nursery and was highest in natural habitat. Fungal diversity and compositions significantly associated the origin of the trees. Under natural conditions, the fungi were more diverse at lower altitudes than at higher altitudes. Additionally, leaf chlorophyll and flavonoid contents showed negative correlations with fungal richness in natural stands. In the second year (autumn 2014), another survey (chapter 3.3) was conducted on leaf endophytes of phytometer trees with metabarcoding and cultivation approaches to trace the environmental drivers and method-dependent indications. Metabarcoding resulted in 597 OTUs from 170480 curated ITS1 reads and cultivation revealed 70 OTUs from 438 culture-based Sanger sequences. Both approaches resulted in non-overlapping community compositions and pronounced differences in taxonomic classification and trophic stages. However, both methods revealed similar correlations of the fungal communities with local environmental conditions. Our results indicate undisputable advantages of metabarcoding over cultivation in terms of representation of the major functional guilds, rare taxa and diversity signals of leaf-inhabiting fungi. This stressed out the importance of cultivation for complementing sequence databases with good quality reference data and encouraged the use of both approaches in future microbial biodiversity assessment studies. Phytometer and natural trees were intensively investigated in this study (chapter 3.4) to assess the influence of site characteristics (altitudes, local microclimate), seasonality, leaf biochemistry and leaf age on fungal diversity and composition. In total, our analytical Illumina workflow resulted in 15703599 demultiplexed and ITS1 reads from 165 samples. Clustering at 97% similarity resulted in 1199 OTUs. Climatic parameters were significantly differed between valley and mountain on daily basis but were insignificantly differed on monthly basis. The compositional difference between phytometer and natural mycobiome was significant for combined data as well as for the seasonal data (Oct 2013-Oct 2014). We observed a strong seasonal turnover in phyllosphere fungi in both habitats over the two years of investigation, suggesting that the plant-fungal system not only responds to cyclic climatic conditions but depends as well on various parameters, e.g., geographic position, substrates age and surrounding vegetation. A side (chapter 3.5) study was done to see the connection between the foliar endophytes and foliar phenolic compounds of European aspen (Populus tremula) in the presence and absence of specialist beetles (Chrysomela tremula). A distinct pattern of the leaf endophytes was found to be associated with aspen genotype and chemotype, but this specificity disappeared in the presence of herbivorous beetles. This suggested that leaf endophytes responded to the herbivory in aspen. In general, the altitudinal difference is the most important explaining factor for fungal community differences, which shapes many dependent abiotic and biotic habitat factors. Regarding cost and time per sequence, metabarcoding is superior to cultivation approaches and offers surprisingly profound insights by yielding much more data, allowing to test at once multiple hypotheses in fungal ecology.