Quelle: Elizabeth Suter¹, Christopher Corbo¹, Jonathan Blaize^1
1 Department of Biological Sciences, Wagner College, 1 Campus Road, Staten Island NY, 10301

Die Winogradsky-Säule ist ein miniaturiges, geschlossenes Ökosystem, das zur Anreicherung von mikrobiellen Sedimentgemeinschaften verwendet wird, insbesondere solche, die am Schwefelkreislauf beteiligt sind. Die Säule wurde erstmals von Sergei Winogradsky in den 1880er Jahren verwendet und wurde seitdem in der Untersuchung von vielen verschiedenen Mikroorganismen in der Biogeochemie, wie Photosynthesizer, Schwefeloxidatoren, Sulfat-Reduzierer, Methanogene, Eisenoxidizer, Stickstoff angewendet Cycler und mehr (1,2).

Die Mehrheit der Mikroorganismen auf der Erde gilt als unkultiierbar,was bedeutet, dass sie nicht in einem Reagenzglas oder auf einer Petrischale isoliert werden können (3). Dies ist auf viele Faktoren zurückzuführen, einschließlich, dass Mikroorganismen von anderen für bestimmte Stoffwechselprodukte abhängen. Die Bedingungen in einer Winogradsky-Säule imitieren den natürlichen Lebensraum eines Mikroorganismus, einschließlich ihrer Wechselwirkungen mit anderen Organismen, und ermöglichen es, sie in einem Labor zu wachsen. Daher ermöglicht diese Technik Wissenschaftlern, diese Organismen zu untersuchen und zu verstehen, wie wichtig sie für die biogeochemischen Zyklen der Erde sind, ohne sie isoliert anbauen zu müssen.

Die Umgebungen der Erde sind voll von Mikroorganismen, die in allen Arten von Lebensräumengedeihen, wie Böden, Meerwasser, Wolken und Tiefseesedimente. In allen Lebensräumen sind Mikroorganismen voneinander abhängig. Wenn ein Mikroorganismus wächst, verbraucht er bestimmte Substrate,einschließlich kohlenstoffreicher Brennstoffe wie Zucker sowie Nährstoffe, Vitamine und Atemgase wie Sauerstoff. Wenn diese wichtigen Ressourcen auslaufen, können verschiedene Mikroorganismen mit unterschiedlichen Stoffwechselbedürfnissen blühen und gedeihen. In der Winogradsky-Säule verbrauchen Mikroben beispielsweise zuerst das zugesetzte organische Material, während sie den Sauerstoff in den unteren Schichten der Säule aufbrauchen. Sobald der Sauerstoff verbraucht ist, können anaerobe Organismen dann verschiedene organische Materialien übernehmen und verbrauchen. Diese konsekutive Entwicklung verschiedener mikrobieller Gemeinschaften im Laufe der Zeit wird Als Nachfolge bezeichnet (4). Die mikrobielle Abfolge ist wichtig in einer Winogradsky-Säule, wo die mikrobielle Aktivität die Chemie des Sediments verändert, was dann die Aktivität anderer Mikroben und so weiter beeinflusst. Viele Mikroorganismen in Böden und Sedimenten leben auch entlang Vonsteigen,die Übergangszonen zwischen zwei verschiedenen Arten von Lebensräumen sind, basierend auf den Konzentrationen von Substraten (5). An der richtigen Stelle im Gradienten kann eine Mikrobe optimale Mengen an verschiedenen Substraten erhalten. Mit der Entwicklung einer Winogradsky-Säule beginnt sie, diese natürlichen Gradienten, insbesondere in Sauerstoff und Sulfid, nachzuahmen (Abb. 1).

Abbildung 1: Eine Darstellung der Sauerstoff - O₂) und Sulfid (H₂S) Gradienten, die sich in einer Winogradsky-Säule entwickeln.

In einer Winogradsky-Säule werden Schlamm und Wasser aus einem Teich oder Feuchtgebiet in einer transparenten Säule vermischt und inkubieren, typischerweise im Licht. Zusätzliche Substrate werden der Säule hinzugefügt, um der Gemeinschaft Kohlenstoffquellen zu geben, in der Regel in Form von Zellulose und Schwefel. Photosynthesizer beginnen in der Regel in den oberen Schichten des Sediments zu wachsen. Diese photosynthetischen Mikroorganismen bestehen größtenteils aus Cyanobakterien,die Sauerstoff produzieren und als grüne oder rotbraune Schicht erscheinen (Abb. 2, Tabelle 1). Während die Photosynthese Sauerstoff produziert, ist Sauerstoff in Wasser nicht sehr löslich und unter dieser Schicht abnimmt (Abb. 1). Dadurch entsteht ein Sauerstoffgradient, der von hohen Sauerstoffkonzentrationen in den oberen Schichten bis zu Nullsauerstoff in den unteren Schichten reicht. Die sauerstoffhaltige Schicht wird die aerobe Schicht und die Schicht ohne Sauerstoff als anaerobe Schicht bezeichnet.

In der anaeroben Schicht können sich viele verschiedene mikrobielle Gemeinschaften vermehren, abhängig von der Art und Menge der verfügbaren Substrate, der Quelle der ersten Mikroben und der Porosität des Sediments. Am unteren Rand der Säule können Organismen gedeihen, die anaerobe organische Materie abbauen. Die mikrobielle Fermentation produziert organische Säuren aus dem Abbau von Zellulose. Diese organischen Säuren können dann von Sulfat-Reduzierernverwendet werden, die diese organischen Stoffe mit Sulfat oxidieren und Sulfid als Nebenprodukt produzieren. Die Aktivität von Sulfat-Reduzierern wird angezeigt, wenn das Sediment schwarz wird, da Eisen und Sulfid auf schwarze Eisen-Sulfid-Mineralien reagieren (Abb. 2, Tabelle 1). Der Sulfid diffundiert auch nach oben, wodurch ein weiterer Gradient entsteht, bei dem die Sulfidkonzentrationen im unteren Rand der Säule hoch und oben in der Säule niedrig sind (Abb. 1).

In der Mitte der Säule nutzen Schwefeloxidatoren die Sauerstoffzufuhr von oben und Sulfid von unten. Mit der richtigen Lichtmenge können sich in diesen Schichten photosynthetische Schwefeloxidatoren entwickeln. Diese Organismen sind als grüne und violette Schwefelbakterienbekannt und erscheinen oft als grüne, lila oder lila-rote Filamente und Flecken (Abb. 2, Tabelle 1). Grüne Schwefelbakterien haben eine höhere Toleranz für Sulfid und entwickeln sich in der Regel in der Schicht direkt unter violetten Schwefelbakterien. Oberhalb der violetten Schwefelbakterien können sich auch violette Nicht-Schwefelbakterien entwickeln. Diese Organismen photosynthetisieren mit organischen Säuren als Elektronenspender anstelle von Sulfid und erscheinen oft als rote, lila, orange oder braune Schicht. Nichtphotosynthetische Schwefeloxidatoren können sich oberhalb der violetten Nichtschwefelbakterien entwickeln, die in der Regel als weiße Filamente erscheinen (Abb. 2, Tabelle 1). Darüber hinaus können sich auch Blasen in der Winogradsky-Spalte bilden. Blasen in den aeroben Schichten zeigen die Produktion von Sauerstoff durch die Cyanobakterien an. Blasen in den anaeroben Schichten sind wahrscheinlich auf die Aktivität von Methanogenenzurückzuführen, Organismen, die organische Stoffe anaeroben zerlegen und Methan als Nebenprodukt bilden.

Tabelle 1: Die wichtigsten Gruppen von Bakterien, die in einer klassischen Winogradsky-Säule erscheinen können, von oben nach unten. Es werden Beispiele für Organismen aus jeder Gruppe gegeben, und die visuellen Indikatoren jeder Schicht von Organismen werden aufgelistet. Basierend auf Perry et al. (2002) und Rogan et al. (2005).

1. Einrichtung

1. Um eine Winogradsky-Spalte einzurichten, benötigen Sie einige Grundversorgungen:
   • Schaufel, Eimer und Flasche, um die Proben im Feld zu sammeln
   • Ein vertikales, transparentes Gefäß, z. B. ein abgestufter Zylinder oder eine Kunststoff-Wasserflasche von ca. 1L
   • Kunststoffwickel und Gummibänder
   • große Mischschüsseln und großer Löffel zum Rühren
   • Eine Schwefelquelle (Eigelb oder Calciumsulfat)
   • Eine Quelle von organischem Kohle

In diesem Experiment wurden Wasser und Sedimente aus einem Süßwasserlebensraum gesammelt. Zwei Winogradsky-Säulen wurden konstruiert und konnten sich entwickeln: eine klassische Winogradsky-Säule, die bei Raumtemperatur im Licht inkubiert wurde (Abb. 2A) und eine Winogradsky-Säule, die im Dunkeln bei Raumtemperatur inkubiert wurde (Abb. 2B).

Abbildung 2B: Ein Foto der klassischen Winogra...

Die Winogradsky-Säule ist ein Beispiel für ein interdependentes mikrobielles Ökosystem. Nach dem Mischen von Schlamm, Wasser und zusätzlichen Kohlenstoff- und Schwefelsubstraten in einer vertikalen Säule sollte sich das geschichtete Ökosystem über mehrere Wochen in getrennte, stabile Zonen stabilisieren. Diese Zonen werden von verschiedenen Mikroorganismen besetzt, die an einer bestimmten Stelle entlang des Gradienten zwischen dem sulfidreichen Sediment im Boden und dem sauerstoffreichen Sediment an der Spitze ged...

1. Zavarzin G. (2006). Winogradsky and modern microbiology. Microbiology 75(6): 501-511. doi: 10.1134/s0026261706050018
2. Esteban DJ, Hysa B, and Bartow-McKenney C (2015). Temporal and Spatial Distribution of the Microbial Community of Winogradsky Columns. PLoS ONE 10(8): e0134588. doi:10.1371/journal.pone.0134588
3. Lloyd KG, Steen AD, Ladau J, Yin J, and Crosby L. (2018). Phylogenetically novel uncultured microbial cells dominate Earth microbiomes. mSystems 3(5): e00055-18. doi:10.1128/mSystems.00055-18
4. Anderson DC, and Hairston RV (1999). The Winogradsky Column & Biofilms: Models for Teaching Nutrient Cycling & Succession in an Ecosystem. The American Biology Teacher, 61(6): 453-459. doi: 10.2307/4450728
5. Dang H, Klotz MG, Lovell CR and Sievert SM (2019) Editorial: The Responses of Marine Microorganisms, Communities and Ecofunctions to Environmental Gradients. Frontiers in Microbiology 10(115). doi: 10.3389/fmicb.2019.00115
6. Stomp M, Huisman J, Stal LJ, and Matthijs HCP. (2007) Colorful niches of phototrophic microorganisms shaped by vibrations of the water molecule. ISME Journal. 1(4): 271-282. doi:10.1038/ismej.2007.59
7. Perry JJ, Staley JT, and Lory S. (2002) Microbial Life, First Edition, published by Sinauer Associates
8. Rogan B, Lemke M, Levandowsky M, and Gorrel T. (2005) Exploring the Sulfur Nutrient Cycle Using the Winogradsky Column. The American Biology Teacher, 67(6): 348-356. doi: 10.2307/4451860