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Seasonal variability of cultivable nitrate-reducing and denitrifying bacteria and functional gene copy number in fresh water lake

Saisonale Variabilität der kultivierbaren nitratreduzierenden und denitrifizierenden Bakterien und der Anzahl der funktionellen Genkopien in einem Süßwassersee

  • This study describes the seasonal course of denitrifying and nitrate-reducing bacteria in a dimictic mesotrophic lake (Lake Scharmützelsee, Brandenburg, Germany) within a three-year period from 2011 to 2013. The bacterial cell numbers were quantified by the fluorescence microscopy, most probable number (MPN) and PCR-dependent quantification of the chromosomal 16S rDNA and of the nirS and nirK gene copy number. The highest seasonal differences (up to three orders of magnitudes) have been measured usingMPNin the epilimnion. This variation was not reflected by PCR-dependent approaches or direct microscopical enumeration. At adverse conditions (low temperature and/or low nitrate concentrations), the differences between MPN and gene copy numbers increased by up to five orders of magnitudes and decreased to one magnitude at favourable environmental conditions. These results can be explained best by an increasing ratio of viable but not cultivable (VBNC) cells or dead cells at impairing conditions. In the hypolimnion, the courses of MPN andThis study describes the seasonal course of denitrifying and nitrate-reducing bacteria in a dimictic mesotrophic lake (Lake Scharmützelsee, Brandenburg, Germany) within a three-year period from 2011 to 2013. The bacterial cell numbers were quantified by the fluorescence microscopy, most probable number (MPN) and PCR-dependent quantification of the chromosomal 16S rDNA and of the nirS and nirK gene copy number. The highest seasonal differences (up to three orders of magnitudes) have been measured usingMPNin the epilimnion. This variation was not reflected by PCR-dependent approaches or direct microscopical enumeration. At adverse conditions (low temperature and/or low nitrate concentrations), the differences between MPN and gene copy numbers increased by up to five orders of magnitudes and decreased to one magnitude at favourable environmental conditions. These results can be explained best by an increasing ratio of viable but not cultivable (VBNC) cells or dead cells at impairing conditions. In the hypolimnion, the courses of MPN and nir gene copy numbers were similar. This can be explained by a higher feeding pressure and therefore smaller amounts of dormant cells. In the pelagial in general, the total cell numbers enumerated by either microscopical or molecular approaches were similar. In the sediment, more than 99% of the DNA was obviously not related to viable bacteria but was rather DNA in dead cells or adsorbed to particle surfaces.show moreshow less
  • Diese Studie beschreibt den jahreszeitlichen Verlauf von denitrifizierenden und nitratreduzierenden Bakterien in einem dimiktischen mesotrophen See (Scharmützelsee, Brandenburg, Deutschland) innerhalb eines dreijährigen Zeitraums von 2011 bis 2013. Die Bakterienzellzahlen wurden mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie, der höchstwahrscheinlichen Anzahl (MPN) und der PCR-abhängigen Quantifizierung der chromosomalen 16S rDNA und der nirS- und nirK-Gen-Kopienzahl bestimmt. Die größten saisonalen Unterschiede (bis zu drei Größenordnungen) wurden mit der MPN im Epilimnion gemessen. Diese Unterschiede wurden nicht durch PCR-abhängige Ansätze oder direkte mikroskopische Auszählung nicht wider. Unter ungünstigen Bedingungen (niedrige Temperatur und/oder niedrige Nitratkonzentration) stiegen die Unterschiede zwischen der MPN und der Genkopienzahl um bis zu fünf Größenordnungen, während sie unter günstigen Umweltbedingungen auf eine Größenordnung abnahmen. Diese Ergebnisse lassen sich am besten durch einen zunehmenden Anteil lebensfähiger, aberDiese Studie beschreibt den jahreszeitlichen Verlauf von denitrifizierenden und nitratreduzierenden Bakterien in einem dimiktischen mesotrophen See (Scharmützelsee, Brandenburg, Deutschland) innerhalb eines dreijährigen Zeitraums von 2011 bis 2013. Die Bakterienzellzahlen wurden mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie, der höchstwahrscheinlichen Anzahl (MPN) und der PCR-abhängigen Quantifizierung der chromosomalen 16S rDNA und der nirS- und nirK-Gen-Kopienzahl bestimmt. Die größten saisonalen Unterschiede (bis zu drei Größenordnungen) wurden mit der MPN im Epilimnion gemessen. Diese Unterschiede wurden nicht durch PCR-abhängige Ansätze oder direkte mikroskopische Auszählung nicht wider. Unter ungünstigen Bedingungen (niedrige Temperatur und/oder niedrige Nitratkonzentration) stiegen die Unterschiede zwischen der MPN und der Genkopienzahl um bis zu fünf Größenordnungen, während sie unter günstigen Umweltbedingungen auf eine Größenordnung abnahmen. Diese Ergebnisse lassen sich am besten durch einen zunehmenden Anteil lebensfähiger, aber nicht kultivierbarer Zellen (VBNC) oder toter Zellen bei ungünstigen Bedingungen erklären. Im Hypolimnion waren die Verläufe der MPN- und nir-Genkopienzahlen ähnlich. Dies lässt sich durch einen höheren Fütterungsdruck und daher geringere Mengen an ruhenden Zellen erklären. Im Pelagial waren die Gesamtzahl der Zellen, die entweder durch mikroskopische oder molekulare Methoden ermittelt wurden, im Allgemeinen ähnlich. Im Sediment gehörten mehr als 99 % der DNA offensichtlich nicht zu den lebensfähigen Bakterien, sondern waren vielmehr DNA in toten Zellen oder an Partikeloberflächen adsorbiert.show moreshow less

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Metadaten
Author: Jörg BöllmannORCiD, Marion MartienssenORCiD
DOI:https://doi.org/10.3390/microorganisms12030511
ISSN:2076-2607
Parent Title (English):microorganisms
Publisher:MDPI
Place of publication:Basel
Document Type:Scientific article
Language:English
Year of Completion:2024
Release Date:2024/04/11
Tag:Denitrifikation; Dimiktischer See; Mikroskopische Zellzahl; Nitrit-Reduktase
Denitrification; Dimictic lake; Hypolimnion; Microscopical cell number; Nitrite reductase
Volume:12
Issue:3
Article Number:511
Fundername (not EU):Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / Open-Access-Publikationskosten (2023 -2025) / 512881332
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Biotechnologie der Wasseraufbereitung
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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