Projekt

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MOBtrait: Understanding the diversity of aerobic methane oxidizing bacteria in lacustrine oxyclines using community ecology and trait-based modeling

Titel Englisch MOBtrait: Understanding the diversity of aerobic methane oxidizing bacteria in lacustrine oxyclines using community ecology and trait-based modeling
Gesuchsteller/in Bürgmann Helmut
Nummer 156759
Förderungsinstrument Interdisziplinäre Projekte
Forschungseinrichtung Abteilung Oberflächengewässer EAWAG
Hochschule Eidg. Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz - EAWAG
Hauptdisziplin Umweltforschung
Beginn/Ende 01.05.2015 - 31.07.2019
Bewilligter Betrag 550'634.00
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Alle Disziplinen (3)

Disziplin
Umweltforschung
Experimentelle Mikrobiologie
Hydrologie, Limnologie, Glaziologie

Keywords (6)

oxycline; traits; modeling; methane oxidizing bacteria; microbial ecology; stratified lakes

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Mikrobielle Gemeinschaften sind an zahlreichen biogeochemischen Prozessen beteiligt und leisten einen entscheidenden Beitrag zur Funktion von Ökosystemen. Einer dieser Prozesse ist die biotische Oxidation von Methan in Seen. Dieses Gas wird dort hauptsächlich in den Sedimenten gebildet. Aufgrund des hohen Treibhauspotentials von Methan ist dessen Verringerung durch Oxidation von besonderer Bedeutung. Die Emission aus natürlichen und gestauten Seen hat sich in den letzten Jahren als bedeutende Quelle für das globale Methanbudget erwiesen. Um den Beitrag von Seen zum Treibhauseffekt besser zu beurteilen ist es wichtig, die Methanoxidation und die Ökologie der beteiligten Mikroorganismen besser zu verstehen.
Lay summary

In diesem Projekt wird die Gemeinschaft der aeroben Methanotrophen Bakterien untersucht, die den Oxidationsprozessin der Wassersäule von geschichteten Seen durchführen. Molekularbiologische Untersuchungen zeigen häufig, dass verschiedene Gruppen von methanoxidierenden Bakterien vorhanden sind, die sich in ihrer Effizienz unterscheiden. Teilweise kommen diese Gruppen gemeinsam vor, teils kommen sie in unterschiedlichen Schichten zur Dominanz. Klassische Modellansätze zur Beschreibung der Methanoxidation vernachlässigen diese Populationsdynamik. Unser Ziel ist es, ein Modell zu entwickeln das die entscheidenden physiologischen Merkmale (traits) der methanoxidierenden Organismen mitberücksichtigt.

Mit einer Kombination von beschreibender Feldforschung und physiologischen Experimenten mit Isolaten und Reinkulturen wird ein solches Modell entwickelt, getestet und validiert. Vor allem unter dynamischen Umweltbedingungen, die mit Populationsveränderungen einhergehen können, erwarten wir von diesem Modell eine bessere Vorhersage der Methanoxidation in Seen.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 15.10.2014

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
135299 Methane oxidation pathways at oxic-anoxic boundaries in lakes 01.04.2011 Projektförderung (Abt. I-III)

Abstract

Microbial communities are the drivers of many biogeochemical processes that represent essential ecosystem functions. Methane (CH4) oxidation processes (aerobic or anaerobic) typically remove the bulk of the biologically produced CH4 in environmental systems, including lakes. In addition to mitigating greenhouse gas emissions, these processes can also be an important element of the local carbon cycle. An understanding of the dynamics of MO is therefore of critical importance to predict lake ecosystem functioning and environmental feedback mechanisms on CH4 emissions. Science has developed excellent tools to describe the microbial populations involved, as well as for measuring and modeling the biogeochemical processes themselves. But our ability to quantitatively link data on environmental microbial communities with the biogeochemical functions in the ecosystem remains limited. However, in order to build models that can deliver robust predictions even under changing environmental conditions that change the functional properties of microbes requires models that explicitly consider microbial populations. In the proposed project we will take a promising approach (trait-based models), to address this gap for the process of aerobic CH4 oxidation (MO) in the oxyclines of stratified freshwater lakes. CH4 emission from lakes and reservoirs has been shown to be a source of atmospheric CH4 of global importance. The proposed project combines microbial ecology, physiology, and modeling in an interdisciplinary effort to achieve fundamental progress in our understanding of the ecology of aerobic MO in freshwater systems and towards predicting system development under dynamically changing conditions: Our Objective #1 is to understand how environmental conditions govern the observed structure and activity of aerobic methanotrophs (MOB)with an emphasis on analysing the distribution of MOB taxa and their key traits (such as cell size, presence/absence of soluble methane monooxygenase, nitrogen fixation, motility). To achieve this, analyses will be performed in different lakes, and in one system over a seasonal cycle, using a suite of molecular microbial ecology methods, chemical analysis and rate measurements. Objective #2 is to link the population information to functional characteristics, and to expand our knowledge on the traits and kinetic properties of pelagic freshwater MOB. We will enrich and isolate MOB, and characterize individual strains and species thoroughly with regards to their traits, and using the tools of pure culture microbiology to obtain physiological data and process kinetics. Results will be used to validate and parameterize the trait based numerical model. Objective #3 is to develop a trait-based model for methane oxidation which will be iteratively developed in conjunction with laboratory experiments of increasing complexity: competition experiments in chemostats, and population structure formation in artificial O2-methane gradients. In turn, the model will be used to design experiments to maximize information gain. Closing the circle, the developed model will be applied to lake systems to achieve two further objectives: Objective #4 is to demonstrate that we can use measured environmental parameters to a) predict the vertical structure and temporal development of MOB communities in a seasonally dynamic stratified lake system and to b) use information on the microbial populations to improve our prediction of the biogeochemical processes over models based on monod kinetics that do not take microbial community dynamics into account.Upon reaching these objectives we will have created a powerful approach that can be used to improve predictions on methane release from lakes and reservoirs under dynamic conditions. At the same time, results will improve our understanding of the complex ecological processes that shape the structure and function of aerobic MOB.
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